INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL ESIME AZCAPOTZALCO

AHORRO DE ENERGIA ELECTRICA PARA UN SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE, POR MEDIO DE TERMOALMACENAJE

TESIS ESIS: QUE UE

PARA

OBTENER

I N G E N I E R O

EL

TITULO

DE

M E C A N I CO

PRESENTA RESENTA: E R N E S T O R A M I R E Z V A R G A S

ASESOR: ING. RUBEN MARCHAND

MEXICO, D.F.

2010

AGRADECIMIENTOS:

Quiero agradecer la dedicación y el esfuerzo que mi Mamá Yolanda Vargas Carrillo “ † “ y mi Papá Samuel Ramírez Armenta “ † “, dedicaron con su amor, enseñanzas, cada regaño y consejo acertado en mi formación como ser humano, entendiendo los valores y el respeto a los demás, para después en mi formación como profesionista y aunque hoy no estén presentes físicamente, se que estarán también felices; disfrutando este momento tanto como yo lo estoy haciendo. Por todo esto gracias les doy.

Asimismo quiero agradecer a mis hermanos, sobrinos y cuñados su cariño, sus risas, los momentos inigualables que vivimos y pasamos día con día a pesar de las adversidades y las tristezas que la vida nos ha dado: son mi apoyo y parte importante de que yo siga adelante.

Agradezco a Dios que lleno mi vida de felicidad y puso en mi camino a una bella mujer que con su amor, apoyo y consejos han impulsado en mi a realizar y llevar a cabo mis proyectos y no desistir en concluirlos: Gracias Gladis.

Gracias a mis amigos; son parte importante en mi vida.

Gracias a todos los profesores por su dedicación y enseñanza en los salones de clases y talleres donde adquirí sus conocimientos.

CAPITULO 1 ANTECEDENTES ÍNDICE

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CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14. 1.15. 1.16.

Antecedentes de la Refrigeración y el Acondicionamiento del Aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . .3-4 Conceptos Teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5-13 Circuito básico de refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13-14 Sistemas de agua helada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15- 22 Bombas centrifugas y su clasificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22- 29 Bancos de Hielo, sistemas de termoalmacenaje y modo de operación. . . . . . . . . . . . . 29- 40 Compresores y su clasificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41- 43 Torres de enfriamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43- 47 Filtros de Aire y su clasificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48-58 Métodos para dimensionar ductos de inyección, retorno y extracción de aire. . . . . . . .58- 59. Refrigerantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60- 63 Criterio de carga máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64- 65 Uso de las tablas Carrier y sus respectivas correcciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Unidades. Sistema Inglés e Internacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67-70 Psicrometría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71-76 Descripción Del Proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

CAPÍTULO 2 BALANCE TERMICO 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2.

Especificaciones Generales del Sistema para el Acondicionamiento del Aire. . . . . . . . . . .78 Memoria de Cálculo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Bases de Diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Desarrollo de la Memoria de Cálculo con las Tablas para Cargas Térmicas del Manual para el Sistema de Diseño de Carrier (ver anexo ). . . . . . . . . . 80-84 2.2.3. Coeficientes de Transmisión de Calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85-90 2.2.4. Cálculo de los Volúmenes de Aire por Zona y análisis psicométrico: Mall, Planta Alta y Planta Baja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91-158 2.3. Cálculo de la Presión Estática para Manejadoras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159-174

CAPÍTULO 3 SELECCION DE EQUIPO 3.1. 3.2. 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Chillers (enfriadores). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Unidades Manejadoras de Aire (UMAS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175-176 Bancos de hielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176-178 Bombas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 Cuantificación de lámina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179-186 Rejillas de retorno de aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 Difusores de inyección de aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187-188

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

CAPÍTULO 4 4.1.

Análisis de Ahorro de Energía Eléctrica 4.1.1 Presupuesto sistema tradicional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189-204 4.1.3 Presupuesto bancos de hielo y análisis de costos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205-222 4.1.4 Instalación, arranque, puesta en marcha y mantenimiento. 4.1.4.1 bancos de hielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222-227 4.1.4.2 Umas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228-237 4.1.4.3 Chillers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237-238 4.1.4.4 Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239-243

CAPÍTULO 5 5.1.

Costo por consumo eléctrico 5.1.1 Sistema tradicional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244-249 5.1.2 bancos de hielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250-253

ANEXOS Tablas Carrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254-256 Planos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256 Dibujos de bancos de hielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 Dibujos de UMAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 Método de medición de ductos de lámina galvanizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259-262 Tablas de peso de ductos de lámina galvanizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263-264 Selección de unidades Enfriadoras de agua (chillers). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265-266 Selección de Bancos de Hielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267-269

BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

CAPITULO 1 1.1.

Antecedentes de la Refrigeración y el Acondicionamiento del Aire.

Hablaremos aquí brevemente de la Refrigeración debido a que éste junto con el Acondicionamiento del Aire se gobierna por los mismos principios físicos y requieren los mismos conocimientos básicos por parte de las personas que trabajan en ellas. La única diferencia está en la aplicación. La Refrigeración a Través del Tiempo Los primeros antepasados del hombre conocieron y observaron los efectos del frío, el hielo y la nieve sobre sus cuerpos y sobre sus alimentos como son la carne de sus cacerías pero no hicieron uso de estos fenómenos naturales de refrigeración para mejorar su vida. Los primeros antecedentes los encontramos en los antiguos egipcios que utilizaron jarros porosos para enfriar vino, cerveza y otros líquidos colocándolos sobre los techos durante la noche. Dichas vasijas son los primeros refrigeradores. Posteriormente los chinos fueron los primeros en recolectar y almacenar hielo del invierno empacándolo en paja seca para utilizarlo durante el verano. Así por muchos siglos el hielo natural y la nieve fueron los únicos medios de refrigeración disponibles. Hasta finales del siglo diecinueve el hielo fue un importante producto de comercio con los países que no producían hielo natural. Fue hasta la década de 1900, que se desarrollo la refrigeración industrial mediante el uso del ciclo mecánico. Así las carnicerías, los empacadores de carne, cervecerías y demás industrias comenzaron a hacer un uso completo de la refrigeración mecánica. Con el crecimiento de la industria eléctrica los refrigeradores domésticos se popularizaron y poco a poco fueron sustituyendo las cajas de hielo, que requerían un bloque completo de éste diariamente. Se diseñaron entonces motores eléctricos, de baja potencia, para operar los compresores en “cajas de hielo” mecánicas. Desde 1920 comenzaron a producirse estos utensilios hasta llegar a ser una necesidad para todos. La preservación de comida en los hogares y en los comercios es ahora una de las más importantes y corrientes aplicaciones de la refrigeración. Antigüedad del Acondicionamiento del Aire El acondicionamiento del aire es tan antiguo como el hombre debido a que la gente primitiva ya utilizaba entonces las pieles de los animales para controlar el escape de su propio calor corporal para cambiar su confort personal. Al buscar la protección del sol ó hallando refugios en cuevas contra el frío y el calor básicamente cambiaban su medio ambiente. El descubrimiento y el uso del fuego fue el avance mas importante de esa era. La historia nos muestra que los nobles egipcios usaron esclavos equipados con ramas de palmas para ventilar a sus amos. Así, el enfriamiento evaporativo dio algo de alivio para el calor Del desierto. Los romanos diseñaron calefacción y ventilación en sus famosos baños. También traían hielo de las montañas del norte para enfriar agua para sus baños. En la edad media Leonardo da Vinci construyó un ventilador accionado por agua para ventilar los cuartos de la casa de un amigo suyo. Otras innovaciones fueron sillas con acción de fuelle para producir ventilación intermitente para el ocupante y mecanismos de reloj que activaban ventiladores encima de camas. Es hasta el siglo diecinueve cuando se inventaron los ventiladores, calderas y radiadores, llegando a ser de uso común. Los primeros ventiladores para calentar aire fueron de hierro fundido, quemando carbón con distribución de aire por gravedad.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Algunos ventiladores mecánicos fueron usados para circulación forzada de aire a través de ductos. En 1748 aparecen los primeros textos que hablan del desarrollo inicial del concepto de refrigeración mecánica-química en Escocia por el doctor William Cullen. En 1844 en Florida, E. U. El doctor John Gorrie describe su nueva máquina de refrigeración. Y en 1851 se le concedió la patente U. S. 8080. Ésta fue la primera máquina comercial en el mundo usada para refrigeración y acondicionamiento del aire. Posteriormente se hicieron mejoras al trabajo de Gorrie con el desarrollo de los compresores alternativos. Así la ingeniería de refrigeración llegó a ser una profesión reconocida. El padre del acondicionamiento del aire fue Willis H. Carrier ( 1876 – 1950 ) pues el atribuyó más al avance de esta industria que cualquier otro. En 1911 presentó su famoso trabajo sobre las propiedades del aire. Estas suposiciones y fórmulas fueron la base para la primera carta psicométrica y una autoridad para todos los cálculos fundamentales en la industria del acondicionamiento del aire. Carrier inventó la primera máquina centrífuga de refrigeración en 1922. Durante la Segunda Guerra supervisó el diseño, instalación y arranque del sistema para la National Advisory Committee for Aeronáuticas ( N. A. C. A. ) para enfriar 10,000,000 pies³ de aire para un túnel de viento hasta -67º F ( -19.45º C ). El acondicionamiento del aire para confort se usó durante la década de 1920 en los cinemas, en los famosos teatros de Nueva York, como el Rívoli, el Paramount y otros fueron los primeros. Para el final de la década cientos de teatros en los E. E. U. U. tenían acondicionamiento del aire. Estos eran diseñados y construidos en el sitio de trabajo. Hacia el final de la década apareció el primer acondicionador del aire auto contenido. Éste fue el primer intento de la industria hacia los productos “paquete” que posteriormente serían fabricados en masa, probados y operados en fábricas antes de llegar al usuario. En 1930 Tomás Midgley de la compañía Du Pont desarrolló el refrigerante Freón. En 1931 se introdujo el Freón 12 como un refrigerante comercial. En 1935 se introdujo el primer compresor hermético. Su carcasa exterior era empernada más que soldada. Después de la Segunda Guerra Mundial los productos fueron principalmente sistemas de maquinaria aplicada para grandes edificios ó almacenes y unidades como del tipo ventana para residencias, oficinas, pequeños almacenes, etc. El siguiente gran avance que aceleró las ventas fue la introducción en 1953 de la operación con enfriamiento por aire en vez de agua. De ahí en adelante hay un gran crecimiento para la cual no sólo contribuyen los fabricantes ó proveedores sino las asociaciones comerciales tales como la National Enviromental Sistems Contractors Association ( N. E. S. C. A. ). Así de este modo se inicia la era del acondicionamiento del aire para esta siempre creciente industria.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES 1.2.

Conceptos Teóricos.

Acondicionamiento del Aire. Es el proceso de tratamiento del aire en un ambiente interior, con el fin de establecer y mantener los estándares requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Se controla de la siguiente manera: • Temperatura. Calentando ó enfriando. • Humedad. Agregando ó eliminando vapor de agua al aire. • Limpieza. Calidad del aire, filtración (filtros). • Movimiento. Equipo adecuado para la distribución del aire. Los componentes de un sistema para el acondicionamiento del aire pueden proporcionar calefacción, enfriamiento ó ambos y contienen: • • • • •

Una fuente de calefacción (aire, agua ó vapor). Una fuente de enfriamiento (refrigerante). Un sistema de distribución (ductos ó tubería). Equipo (ventiladores ó bombas para mover el aire ó el agua). Dispositivos ( radiadores para transmitir el calor entre el fluido y el recinto )

Factores que afectan la comodidad (confort humano): • • • •

El cuerpo humano genera calor al metabolizar (oxidar) sus alimentos. El calor corporal pasa al medio ambiente más frío. El factor que determina si uno siente calor ó frío es la velocidad de pérdida de calor corporal; si es demasiado alta, se siente frío y si es demasiado baja, se siente calor. Los procesos mediante los cuales el cuerpo desprende su calor hacia el medio ambiente son la convección, radiación y evaporación.

Factores que afectan la velocidad de pérdida de calor corporal y como se ajusta para mejorar el confort: • • • • •

Temperatura del aire. Se puede elevar para disminuir la pérdida de calor en invierno, se puede bajar para aumentar la pérdida de calor corporal en verano ( mediante convección ). Humedad del aire. Se puede elevar para disminuir la pérdida de calor corporal en invierno, se puede bajar para aumentar la pérdida de calor corporal en verano ( mediante evaporación ). Movimiento del aire. Se puede aumentar para elevar la pérdida de calor corporal en verano, se puede reducir para disminuir la pérdida de calor corporal en invierno ( mediante convección ). Temperatura de los objetos circundantes. Prendas de vestir.

Aislamiento. Hay ciertas sustancias que son excelentes conductoras de calor, mientras otras son pobres conductoras, las cuales pueden clasificarse como aislantes. Por consiguiente cualquier material que deteriore ó ayude a evitar la transferencia de calor por cualquier medio, se llama y puede usarse como aislamiento. Por supuesto ningún material parará completamente el flujo de calor. Si existiera tal sustancia, sería muy fácil enfriar cualquier espacio dado a una temperatura deseada y mantenerle allí. Altitud. La altura de un punto sobre el nivel del mar es otro factor, a medida que se asciende el calor disminuye por el enrarecimiento de las altas capas de la atmósfera que permite una irradiación mas activa. La República Mexicana no es plana, su superficie es irregular y tiene diferentes elevaciones que contribuyen en los cambios del clima.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Atmósfera. El aire, alrededor de nosotros, se compone de una mezcla de gases secos y vapor de agua. Los gases contienen aproximadamente 78.08 % de nitrógeno ( N2 ), 20.94 % de oxígeno ( O2 ), 0.03 % de dióxido de carbono ( CO2 ), 0.093 % de argón ( Ar ), 0.0018 % de neón ( Ne ), 0.0005 % de helio ( He ), restos ó vestigios de Kriptón ( Kr ), restos ó vestigios de xenón ( Xe ), 0.00006 % de ozono ( O3 ) y 0.00005 % de hidrógeno ( H2 ). El vapor de agua, existe en muy poca cantidad, así que es medido en granos ó libras ( 1 libra contiene 7,000 granos ). Btu. La cantidad de energía térmica ( Q ) es medida en unidades térmicas británicas ( Btu – British thermal unit - ). La unidad térmica británica está definida como la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de 1 lb de agua a 1º F. Proporcionándole 1 Btu a 1 lb de agua aumentará su temperatura en 1º F. Debido a que la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura del agua en 1º F varía ligeramente con el rango de temperatura a la cual ocurre el cambio, el Btu ha sido definido con mayor precisión como 1 / 180 parte de la cantidad de calor necesario para elevar en 180º la temperatura de 1 lb de agua desde su punto de congelamiento ( 32º F ) hasta su punto de ebullición ( 212º F ). La razón de flujo de energía térmica, designada también con el símbolo Q, por lo general se le expresa en Btu por minuto ó en Btu por hora ( Btuh ). Es de interés observar que la razón de flujo de energía es una expresión de potencia, ó sea la razón de trabajo efectuado, en tanto que la unidad métrica correspondiente, la kilocaloría ( kcal ) representa la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua a 14.5º C, en un grado Celsius. En datos numéricos equivale a = 1 Btu = 0.252 kcal. Caballo de Fuerza. Abreviado hp (del inglés horse power). Una unidad de potencia que equivale a levantar 33,000 libras un pie en un minuto ó 550 libras-pie por segundo ó 776 vatios de potencia eléctrica. Caída de Presión (Fricción). Es la resultante de la fricción y la turbulencia del movimiento a través del conducto varía de acuerdo a diferentes factores: • La viscosidad y la gravedad especifica del fluido, • La velocidad del fluído, • La rugosidad de la superficie interna y • La longitud del conducto. Carga Bloque. Es la carga sacada de un área total tomando en cuenta su uso, dimensiones físicas, cantidad de personas, iluminación, equipos y electrodomésticos, lugar geográfico, orientación, horario de uso, estación del año y conductividad térmica de los materiales de construcción. Carga Pico. Es la carga sacada de varias áreas parciales de acuerdo a su uso, dimensiones físicas, cantidad de personas, iluminación, equipos y electrodomésticos, lugar geográfico, orientación, horario de uso, estación del año y conductividad térmica de los materiales de construcción. Calor. Calor es una forma de energía. Es evidente el hecho de que el calor puede ser convertido a otras formas de energía y que otras formas de energía pueden ser convertidas en calor. Termodinámicamente se define calor como energía de tránsito de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. Toda transferencia de energía se manifiesta en trabajo. Calor Latente. Bajo un cambio de estado, la mayoría de las sustancias tendrán un punto de fusión en el cual ellas cambiarán de un sólido a un líquido sin ningún incremento en temperatura. En este punto, si la sustancia está en un estado líquido y el calor se retira de ella, la sustancia se solidificará sin un cambio en su temperatura. El calor envuelto en uno u otro de estos procesos ( cambio de un sólido a un líquido ó de un líquido a un sólido ), sin un cambio en temperatura se conoce como el calor latente de fusión. La derivación de la palabra latente es de la palabra latina para oculto. Este es un calor oculto que no se registra sobre un termómetro ni puede sentirse. Es innecesario decir que no hay incremento ó decrecimiento del movimiento molecular dentro de la sustancia porque esto se manifestaría en un cambio en la temperatura en el termómetro. Página 6

CAPITULO 1 ANTECEDENTES El calor latente de vaporización del agua cuando 1 libra se hierve ó se evapora a vapor de agua a nivel Del mar es 970 Btu. Esta cantidad también es el calor que 1 libra de vapor debe liberar cuando se condensa el agua. Calor Sensible. El calor que puede sentirse ó medirse se llama calor sensible. Este es el calor que causa un cambio en la temperatura de una sustancia, pero no un cambio en el estado. La sustancia bien sea en estado sólido, líquido ó gaseoso, contiene calor sensible, en algún grado, siempre que su temperatura esté por encima del cero absoluto. Las ecuaciones usadas para las soluciones de cantidad de calor y aquellas usadas en conjunción con los calores específicos, pueden clasificarse como ecuaciones de calor sensible, ya que ninguna de ellas envuelve el cambio de estado. Como se mencionó antes, una sustancia puede existir como un sólido, líquido ó como gas ó vapor. La sustancia como un sólido contiene algún calor sensible y también cuando está en otros estados de la materia. La cantidad total de calor necesitada para traerlo de un estado sólido a un estado de vapor depende de : ( a ) Su temperatura inicial como un sólido, ( b ) La temperatura en la cual él cambia de un sólido a un líquido, ( c ) La temperatura a la cual cambia de un líquido a un vapor, ( d ) Su temperatura final como un vapor. También incluye el calor que se requiere para efectuar estos dos cambios en estado. Otro tipo de calor sensible que debe ser tenido en consideración cuando se trata de cálculos de calor se llama el calor latente de vaporización. Este es el calor que una libra de líquido absorbe mientras cambia a su estado de vapor. ó puede clasificarse como calor latente de condensación; cuando el calor sensible se remueve del vapor hasta que alcanza el punto de condensación y luego se condensa en la forma líquida. Calor Total ó Entalpía. El contenido de calor total de la mezcla de aire y vapor de agua, también se conoce como entalpía. Es la suma de los valores de calor sensible y latente, expresado en Btu por libra de aire. Ciclo. Una alternación completa, positiva y negativa, de una corriente ó voltaje. Ciclos por segundo (c p s) ó hertz (Hz) denotan frecuencia. Corriente. La transferencia de carga eléctrica a través de un conductor entre puntos de diferente voltaje potencial. Corriente Alterna. Abreviado CA. La corriente que invierte su polaridad ó dirección periódicamente. Aumenta desde 0 hasta el máximo valor y regresa a 0 en una dirección, entonces presenta una variación similar en la dirección opuesta. Este es un ciclo que es repetido a una frecuencia fija. Puede ser monofásica, bifásica, trifásica y polifásica. Su ventaja sobre la corriente directa es que su voltaje puede ser llevado a valores altos mediante el uso de trasformadores, lo cual reduce los costos de transmisión. Corriente Directa. Abreviado CD. Corriente eléctrica que fluye solamente en una dirección (adireccional). La corriente que varía en una dirección es una directa pulsante, la cual puede ser el resultado de una corriente alterna rectificada. Contador de Demanda ó Medidor. Un dispositivo que indica ó registra la demanda ó la demanda máxima. (Nota: Como la demanda incluye un factor eléctrico y uno de tiempo, se requieren mecanismos que respondan a cada uno de estos factores, lo mismo que un mecanismo indicador ó de registro. Estos mecanismos pueden estar separados ó combinados entre sí en una estructura. Los contadores pueden ser clasificados como sigue: Clase 1 medidores de gráfico, clase 2 medidores integrados, clase 3 medidores de atraso). CFM. Son las siglas en inglés que indican pies cúbicos por minuto y en español sus siglas son PCM.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Demanda. El tamaño de cualquier carga generalmente promediada sobre un intervalo de tiempo específico pero ocasionalmente instantánea. Es expresada en kilovatios, kilovoltamperios, u otra unidad conveniente. Ocasionalmente se puede usar intercambiándola con carga. Demanda Facturada. La demanda sobre la cual se basa la facturación a un usuario, como se específica en el contrato ó arreglo. La demanda facturada no necesariamente coincide con la demanda medida durante un periodo de facturación. Densidad. Se define como masa por unidad de volumen y el volumen específico ( v ), como el volumen por unidad de masa y entendiendo como masa para un cuerpo ó de un cuerpo, por lo general se expresa en libras y el volumen ( V ) en pies cúbicos ó pulgadas cúbicas, éstas son las principales unidades para medir la cantidad de materia en el cuerpo. Por lo común la densidad (ρ) se expresa en libras por pie cúbico y el volumen específico en pies cúbicos por libra. Obsérvese que la densidad es el inverso al volumen específico ó tienen una relación recíproca. La densidad y el volumen específico de una sustancia no son constantes, sino que varían con la temperatura de la sustancia. Deshumidificación del Aire. Durante la deshumidificación del aire, ya sea por principios físicos como la condensación en superficie fría (serpentín de enfriamiento), absorción de vapor con materiales higroscópicos y absorción de vapor con fluidos higroscópicos. Difusor de Aire. Salida del sistema de distribución de aire diseñada para dirigir el flujo en la forma deseada y que puede estar además enfriado, calentado, humidificado, deshumidificado ó ventilado. Ductos. Son conductos por los cuales se hace circular el aire necesario para mantener las condiciones de comodidad establecidas por un local determinado. Normalmente son de sección rectangular y están fabricados en lámina galvanizada calibre 26, 24, 22, 20 y 18 dependiendo de sus dimensiones; no obstante, pueden ser de sección circular, lo cual permite dar mayor velocidad al aire, pero también requiere de mano de obra más especializada. Estos ductos deben ir aislados por varias razones: en caso de conducir aire caliente, para evitar que este se enfríe antes de llegar al lugar donde se requiere, en caso de conducir aire frío, para evitar que se caliente en el trayecto y también para que el aire que rodea al ducto al enfriarse, no forme gotas de agua condensadas que provocarían finalmente goteras, humedades y deterioro. Cabe aclarar que los ductos ó conductos también pueden ser fabricados en lámina metálica, negra, de acero inoxidable ó de aluminio según sea el requerimiento de trabajo y a través de la cual el aire, el aire frío ó el aire caliente es transportado ó movido hacia un área de inyección ó descarga. Eficiencia. Un valor porcentual que indica la relación de potencia de salida a potencia de entrada. Electricidad. El efecto creado por la interacción de cargas eléctricas positivas y negativas. La atracción y expulsión electrostáticas causan movimiento en los portadores de corriente, los cuales, cuando alcanzan fuerza y dirección, se convierten en el flujo de corriente eléctrica. Estructura de Cobro de Servicios. Un patrón de las cargas que deben ser facturadas en los servicios públicos, que cambia de acuerdo con el tipo de consumidor. Factor de Carga. La relación entre la carga promedio en kilovatios suministrada durante un cierto periodo y el pico ó carga máxima que ocurre en ese periodo. Los kilovatios hora y la carga pico generalmente son en base a una salida neta. La carga pico generalmente es para un intervalo de demanda de 60 minutos.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Factor de Potencia. La relación entre la potencia actual en un circuito de corriente alterna, medida por un voltímetro y la potencia aparente que resulta de multiplicar amperios por voltios. Factores de Conductividad Térmica. El coeficiente de transmisión ó el factor “U “es una medida 2 de la rapidez a la cual fluye calor a través de un área de superficie de pared de 1 pie entre el aire de un lado y el aire del otro lado por cada 1º F de diferencia de temperatura a través de la pared. El valor del factor “U “está dado en Btu por hora, depende del espesor de la pared y de los materiales que se utilizan en la construcción de la misma. La conductividad térmica ó factor “K “de un material es la razón 2 Btu por hora a la cual pasa calor a través de una superficie de 1 pie para un material de 1 pulgada de espesor por cada 1º F de diferencia de temperatura a través del material y está dado en Btu por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheit por pulgada de espesor. Mientras que la conductividad térmica ó factor “ K “ está disponible sólo para materiales homogéneos y el valor dado es para 1 pulgada de espesor del material, la conductancia térmica ó factor “ C “ es la cantidad de tiempo del flujo de calor por unidad de área bajo condiciones estables a través de un cuerpo desde una de sus superficies exteriores hasta la otra para una diferencia unitaria de temperatura entre las dos superficies, esta disponible tanto para materiales específicos homogéneos ó heterogéneos y el valor está dado en Btu por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheit para un espesor especificado de material. Para cualquier material homogéneo bajo condiciones estables cuando un gradiente unitario de temperatura se mantiene en la dirección `perpendicular al área, se puede obtener el valor de la conductancia térmica para cualquier espesor de material al dividir el factor “K “entre el espesor del material en pulgadas. Los materiales son considerados homogéneos cuando el valor de “K “no se afecta por las variaciones en espesor ó en tamaño de la muestra dentro de los rangos usados normalmente en construcción. La resistencia que ofrece una pared ó un material al flujo de calor es inversamente proporcional a la habilidad de la pared ó del material a la transmisión de calor. Entonces, la resistencia térmica total de una pared puede expresarse como el recíproco del coeficiente de transmisión total, mientras que la resistencia térmica de un material específico puede expresarse como el recíproco de su conductividad ó conductancia. Fenómenos Meteorológicos para el Estimado de Carga Térmica. El clima es un Fenómeno Meteorológico que caracteriza el estado medio de la atmósfera en un lugar cualquiera de la superficie terrestre. Los fenómenos de la naturaleza no se producen aislados, todos tienen sus causas y además dan resultados para la producción de otros hechos del medio físico, por lo mismo, para conocer el clima es necesario conocer todos los factores que lo producen. Los elementos de la atmósfera que interviene en el clima son la temperatura del aire, Los vientos dominantes, la presión atmosférica, la humedad del aire, la nubosidad y la lluvia. La temperatura del aire cambia en el curso del día y en los diferentes meses del año, las variaciones se registran por medio de observaciones y mediciones para determinar los cambios que influyen en el clima. Los vientos se mueven principalmente por la diferencia de la presión atmosférica, es un fenómeno conocido que las capas de aire cambian de lugar obedeciendo a determinadas circunstancias del medio físico. La presión atmosférica es mayor en las regiones bajas que en las altas y es otro elemento de importancia. La humedad del aire en proporción variable ocasiona que los climas sean secos ó húmedos. La mayor ó menor cantidad de nubes en el curso de los días y de los meses determina cambios en la temperatura. Por último, las precipitaciones pluviales tienen una gran influencia en las condiciones y en los cambios del clima. Frío. Es un término relativo que se refiere a la carencia de calor en un objeto ó espacio. Algunas definiciones lo describen como la ausencia de calor, pero no hay nada conocido en el mundo hoy en día del cual el calor esté totalmente ausente. (Ningún proceso ha sido capaz de alcanzar el estado de “ cero absoluto “, en el cual todo calor ha sido removido de un espacio u objeto.) Teóricamente este punto

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES cero, sería de 459.69º bajo cero en la escala termométrica Fahrenheit, ó 273.16º bajo cero en la escala termométrica Celsius. Grano. Unidad de peso. Es usada para indicar la cantidad de humedad en el aire 7,000 granos = 1 libra. Humidificación del Aire. Para humidificar el aire, ya sea en forma líquida (unidad evaporativa ó unidad lavadora de aire) ó en forma de vapor (humidificador de vapor), de un espacio determinado y de acuerdo al uso que se le dé. Pero estos equipos requieren atención constante en términos de una reposición manual ó automática del agua. Los sistemas de acondicionamiento del aire y calefacción con aire forzado ofrecen la solución ideal para añadir humedad al aire. Humidostato. Equipo que responde a los cambios de humedad ambiente. Iluminación. La densidad de flujo lumínico sobre una superficie; es el cociente del flujo dividido por el área de la superficie cuando esta última es iluminada uniformemente. (Nota: el término iluminación es comúnmente usado en un sentido cualitativo ó general para designar el acto de iluminar ó el estado de ser iluminado. Usualmente el contexto indicará cuál significado es el correcto, pero es deseable usar la expresión nivel de iluminación para indicar que se debe tomar el significado cuantitativo). Interruptor. Un elemento mecánico para conectar ó romper un circuito eléctrico. Latitud y Longitud. En el globo terráqueo, para poder localizar un punto sobre la superficie terrestre se consideran las líneas imaginarias denominadas meridianos y paralelos. Paralelos son los círculos que dividen a la Tierra en dos partes, una al norte y otra al sur, siendo estas partes iguales cuando se trata del Ecuador, no así cuando se habla de Los demás paralelos. Los paralelos reciben ese nombre porque son círculos paralelos al Ecuador. Meridianos son los círculos máximos que pasando por los polos siempre dividen a la Tierra en dos partes iguales. Longitud y latitud son distancias en grados que se toman, la primera, teniendo en consideración el meridiano que se acepta como referencia, puede ser el particular de un país ó el universal aceptado, ( el de Greenwich ). La segunda, la latitud, toma como referencia el Ecuador. La longitud se encuentra de 0º a 180º, y puede ser oriental (este) u occidental (oeste); la latitud se encuentra de 0º a 90º y puede ser norte ó sur. Longitud Este u Oriental es la que se determina al oriente del meridiano de referencia, y en todo caso debe indicarse del meridiano de que se trate. Longitud Oeste u Occidental es la que se determina al occidente del meridiano de referencia, y en todo caso debe decirse del meridiano de que se trate. Latitud Norte es la que se determina al norte del Ecuador. Latitud Sur es la que se determina al sur del Ecuador. Todos los lugares que están al oriente del meridiano de Greenwich tienen longitud oriental con respecto a este meridiano; todos los lugares que se encuentran al occidente del meridiano de Greenwich tiene longitud occidental con relación a este meridiano. Ley de la Conservación de la Energía. • Primera Ley de la Termodinámica. La rama de la ciencia que trata con la acción mecánica del calor, establece que la energía no puede ser creada ni destruida. Solamente puede convertirse de una forma a otra. La energía en sí misma se define como la habilidad de hacer trabajo, y el calor es una forma de energía. Como es el caso del calor sensible y latente. • Segunda Ley de la Termodinámica. Transfiere calor en una sola dirección, de mayor a menor temperatura; y esto tiene lugar a través de tres modos básicos de transferencia de calor como la conducción, convección y radiación.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Localidad. Una localidad es un lugar en donde vive un grupo de familias. En ella, hay casa, comercios, centros de salud, caminos, parques etc. Puede estar en lo alto de una montaña, a la orilla del mar, en una isla ó en un valle. Algunas localidades se parecen entre sí; otras son muy diferentes. Unas se encuentran en el campo; otras son ciudades ó colonias. Según su tamaño y el lugar en donde están situadas, las localidades pueden ser rancherías pueblos, barrios ó colonias. Las localidades tienen nombres propios, nombres de héroes, de santos, de paisajes ó de fechas históricas. En México hay localidades con nombres indígenas. Presión Atmosférica ó Barométrica. Las variaciones en la presión atmosférica debido a la elevación arriba ó por debajo del nivel del mar tienen un efecto importante sobre el valor de varias propiedades. Esto es porque la presión total de la mezcla varía con la presión atmosférica, mientras que la presión parcial del vapor de agua en la mezcla es una función sobre la temperatura de bulbo seco. Presión Negativa. Es la presión de un área que impide la salida del aire al exterior, siendo este mayor que el interior. Presión Positiva. Es la presión de un área que permite la salida del aire al exterior, siendo este menor que el interior. Pulgadas Columna de Agua. Una cantidad usada para medir presiones. Una pulgada de columna de agua equivale a una presión de 0.578 onzas por pulgada cuadrada. Una pulgada de columna de mercurio equivale a 13.60 pulgadas de columna de agua. Refrigerante. Sustancia usada en los mecanismos de refrigeración para absorber calor en el serpentín del evaporador cambiando de estado de líquido a gas y liberándolo en un condensador mientras la sustancia cambia de nuevo de gas a líquido. Rejilla de Aire. Dispositivo del sistema de distribución ó retorno con aletas deflectoras, ajustables ó fijas que en ocasiones dirige el flujo en la forma deseada y sirve de cubierta para las aberturas de salidas ó entrada de aire y al igual que en los difusores puede estar además enfriado, calentado, humidificado, deshumidificado ó ventilado tanto en la inyección como en el retorno. Retorno. Ya sea el agua fría ó el agua caliente, se producen ó generan en un equipo de refrigeración (reciprocante, por absorción, centrífugo) ó en un equipo de calefacción (caldera, caldereta, calentador); a partir de éste equipo, el agua se bombea para que llegue a todos los serpentines que tiene que alimentar (manejadoras y/ó fan & coil); el agua atraviesa los serpentines correspondientes y regresa nuevamente al equipo generador de agua fría ó caliente. En los sistemas de agua fría y agua caliente existen fundamentalmente dos criterios a seguir dependiendo de como se diseñe el retorno: • Retorno Directo. En este sistema, el agua que sale del equipo de bombeo alimenta a los diferentes equipos que lo requieren en forma consecutiva, ó sea, primero al equipo que se localiza más cerca y al último al que se encuentre mas alejado. La tubería de retorno normalmente es una tubería paralela a la de alimentación, pero que circula en sentido contrario, ó sea que recoge primero el retorno del equipo más alejado y finalmente el del equipo más cercano, para así regresar al equipo de generación de agua fría ó caliente. • Retorno Inverso. Este sistema tiene la alimentación de agua en la misma forma que en el caso anterior, en donde difiere es precisamente en la tubería de retorno cuya trayectoria recoge primero al equipo mas cercano, que resulta ser también el primero en ser alimentado y conecta al final con el equipo más alejado que es el último en ser alimentado, para de ahí regresar al equipo generador de agua fría ó caliente.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Como se puede observar, en este último sistema se requiere de una tubería más que en el caso anterior, pero tiene la gran ventaja de quedar balanceado casi totalmente desde el momento de su construcción lo cual hace más eficiente su funcionamiento. En el caso del retorno directo, el agua llega con una presión alta al primer serpentín y con una presión baja al último serpentín; en el retorno, la presión de salida del último serpentín resulta ser también más baja que en el primero y esto provoca que en el último serpentín circule menos agua que en el primero. Esto se puede corregir instalando válvulas tipo globo en la salida de cada serpentín para dar en forma manual la caída de presión necesaria para que todos los serpentines operen con el gasto de agua correcto. De cualquier forma, no es fácil dejar correctamente balanceado todo el sistema ya que cuando se abre ó cierra la válvula globo de cualquiera de los serpentines se modifica el flujo en todos los demás. Cuando se utiliza el retorno inverso, la alimentación al primer serpentín, es al igual que en el caso anterior, con presión alta y en cambio el del último serpentín es con presión baja, pero a diferencia del retorno directo; en este sistema de retorno inverso se provoca que, el retorno del primer serpentín, que tiene una presión todavía alta, circule una longitud equivalente a la que provoca la caída de presión en la tubería de alimentación de forma tal que, cuando se juntan el retorno del primer serpentín con el del último, sus presiones ya están prácticamente igualadas sin necesidad de válvulas adicionales. Temperatura. La temperatura es un concepto más difícil de definir que la presión ó el volumen. Físicamente, la temperatura es una indicación de la energía cinética de las moléculas. Al aumentar el movimiento de las moléculas, la temperatura aumenta. La temperatura no puede ser medida directamente, y es por ello que se mide a través de los efectos que ella produce sobre las propiedades de otros materiales. Los instrumentos más comúnmente usados para la medición de temperatura son Los termómetros de columna líquida y Los termopares. La temperatura en la cual las moléculas quedan inmóviles se llama Cero Absoluto. Temperatura Ambiente. Temperatura del aire en el área de estudio que se considera. Temperatura Interior de Diseño. La temperatura del aire interior que se usa cuando se hacen los cálculos del diseño de pérdida de calor. La temperatura interior de diseño se asume generalmente como 70º F (21.10º C). Termóstato. Equipo que responde a los cambios de temperatura ambiente. Tiro del Aire. Es la distancia axial en pies, horizontal ó vertical, que recorre el flujo de aire después de abandonar una salida de inyección y antes de que la máxima velocidad del flujo quede reducida al nivel de una velocidad terminal específica (ejemplo: 150, 100, 75 y 50 pies por minuto). Tonelada de Refrigeración. Un término común que se usa para definir y medir la producción de frío se llama una Tonelada de Refrigeración. La cual se define como la cantidad de calor suministrada para fundir una tonelada de hielo ( 2,000 libras ) en un periodo de 24 horas, esto es basado en el concepto del calor latente de fusión ( 144 Btu / lb ). Por lo tanto, tenemos: 1 T. R. = 2,000 lb × 144 Btu/lb × día/24 horas = 12,000 Btu/h 1 T. R. = 3,024 Kcal/h; 1 T. R. = 3.51 KW Tuberías. Las tuberías utilizadas para la conducción de agua fría ó caliente y vapor pueden ser de los siguientes materiales: • Cobre tipo “M” ( agua fría ó caliente ) • Fierro galvanizado cédula 40 ( agua fría ó caliente ) • Acero negro soldable cédula 40 ( agua y/ó vapor ) Lo más frecuente es utilizar tubería de cobre para diámetros desde 13 mm (1/2”) hasta 50 mm ( 2”) y tubería de acero negro soldable cédula 40 para diámetros de 64 mm ( 2 1/2”) en adelante.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Nunca deben emplearse combinaciones de tuberías de cobre y tubería de fierro galvanizado ya que la unión de estos materiales genera una diferencia de potencial eléctrico llamado Par Galvánico, el cual produce deterioro de la conexión y obviamente su falla después de algún tiempo. En general no es recomendable el uso de tubería de fierro galvanizado debido a su corta vida (5 a 10 años) y a los graves problemas de obstrucción que presenta: Al igual que los ductos las tuberías deben ir aisladas para mantener su temperatura y para evitar condensaciones de aire que los rodea. Transferencia de Calor. • Conducción. La conducción se describe como la transferencia de calor entre las moléculas cercanas de una substancia, ó entre sustancias que están en contacto una con otra, generalmente se tiene una diferencia de temperaturas (dos cuerpos en contacto). • Convección. Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento del material calentado en si mismo cuando se trata de un líquido ó gas. Cuando el material se calienta, las corrientes de convección son producidas dentro del mismo y las porciones más calientes de él suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad del fluido y un incremento en su volumen específico. • Radiación. Un tercer medio de transferencia de calor es la radiación que es un fenómeno electromagnético, por medio de ondas similares a las de la luz ó a las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan la tierra por medio de ondas de calor radiante

1.3 CIRCUITO BASICO DE REFRIGERACION.

En la producción de frío utilizando un cambio de estado, se encuentra la compresión mecánica, mediante la evaporación indirecta y en circuito cerrado. El ciclo de compresión mecánica simple consta esencialmente de un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. Para poderse desarrollar este ciclo se requiere de la interconexión de tuberías, válvulas, recipientes de refrigerante, dispositivos de control y demás elementos auxiliares. Por el interior del circuito circula el refrigerante, el que al evaporarse, en el evaporador, absorbe calor del medio que lo rodea, enfriándolo por consecuencia. El compresor succiona los vapores formados en el evaporador, los que absorbieron el calor latente de vaporización, siendo comprimidos por esta máquina y descargados al condensador a donde ceden el calor latente de condensación que puede ser aire, agua ó mezcla de los dos, el que se encuentra a una menor temperatura, cambiando el refrigerante a la fase líquida para iniciar un nuevo ciclo. Funciones Específicas de los Componentes del Sistema de Comprensión Simple: • Evaporador. Es un intercambiador de calor, localizado en el medio a enfriar, en donde se lleva a cabo la evaporación del refrigerante, dependiendo de la presión de evaporación tendremos la temperatura correspondiente al refrigerante utilizado. Para que pueda llevarse a cabo la evaporación es necesario que el refrigerante líquido absorba calor del medio a enfriar, es decir, al calor latente de evaporación, como una característica el refrigerante se encuentra a baja presión y temperatura en el evaporador. • Compresor. Su función es doble, por una parte crea y mantiene la baja presión del evaporador que permite la evaporación a baja temperatura del refrigerante. Por otra parte crea y mantiene la alta presión del condensador que permite la nueva utilización del refrigerante en estado líquido, el compresor se encuentra localizado generalmente en un cuarto de máquinas. Al comprimir el compresor los vapores del refrigerante, éstos se calientan por la energía suministrada durante el trabajo de compresión, es decir, el trabajo de compresión se emplea en aumentar la energía interna de los vapores que aumentan su temperatura. Por lo tanto, los vapores succionados por el compresor, cargados con el calor latente de evaporación (que absorbieron en el evaporador) al ser comprimidos, aumentan su contenido de calor, es decir su entalpía, a causa del calor sensible originado por el trabajo de Página 13

CAPITULO 1 ANTECEDENTES compresión. El refrigerante en el compresor, se encuentra a baja presión y temperatura durante la succión y a alta presión y temperatura en la descarga. • Condensador. En este intercambiador de calor tiene lugar la condensación del refrigerante, dependiendo de la presión existente en el condensador, será la temperatura de condensación para cada refrigerante utilizado. Al realizarse la condensación es necesario que los vapores cedan calor, este calor, calor latente de condensación lo toma el medio de condensación, a menor temperatura, junto con el calor sensible de recalentamiento de los vapores comprimidos, el refrigerante del condensador se encuentra a alta presión y temperatura. El condensador se puede localizar en el cuarto de maquinas o en la mayoría de las veces a la intemperie. • Válvula de Expansión. Su función es doble, por una parte regula la cantidad de líquido que entra en el evaporador para que, según la cantidad de vapores aspirados por el compresor, puede mantenerse constante la presión en el evaporador. Por otra parte, al paso por la válvula, tiene lugar la reducción de presión desde la alta que existe en el condensador hasta la baja del evaporador. El líquido procedente del condensador, a alta presión y temperatura, al atravesar la válvula y encontrarse a una presión más baja, se evapora en parte tomando el calor necesario del propio líquido que se enfría hasta la baja temperatura correspondiente a esa baja presión. Esta reducción de presión que sufre el líquido al atravesar una reducción de área, sin realizar trabajo exterior alguno y sin intercambiar calor con el exterior, recibe el nombre de expansión. En estas condiciones se obtiene el refrigerante en estado líquido, a baja presión y temperatura, más algo de vapor, en las mismas condiciones, formado durante la expansión (llamado flash gas) en condiciones para evaporarse e iniciar un nuevo ciclo en el evaporador.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES 1.4 SISTEMAS DE AGUA HELADA. Existen fundamentalmente dos tipos de sistemas: • De paso único o continúo donde el agua fluye una sola vez, desde un recipiente hacia el equipo a través de la tubería, siendo descargada en un recipiente independiente. • De re-circulación, donde el agua fluye desde un recipiente hacia el equipo, a través de la tubería, regresando al mismo recipiente para ser recirculada. Estos sistemas son clasificados como: • Abierto: cuando el agua en el recipiente se encuentra en contacto directo con el aire. • Cerrado: cuando el agua en el recipiente no se encuentra en contacto directo con el aire. Todos los sistemas de tubería tienen por lo menos un punto donde la presión atmosférica es ejercida en la superficie del agua. Este es el punto de referencia para la determinación de la carga hidrostática que debe vencer la bomba. La carga hidrostática, esta diferencia de elevación en metros, entre el nivel de agua en el lado de succión de la bomba y el nivel de agua en el lado de descarga. En un sistema cerrado, la bomba sólo debe vencer la resistencia por fricción del sistema. El recipiente de descarga es también el recipiente de succión y por lo tanto no hay diferencia de elevación y consecuentemente no existe carga hidrostática. En un sistema abierto, el recipiente del lado de la succión debe estar a una elevación diferente a la del recipiente de descarga. Además de la carga hidrostática, la bomba deberá vencer también las pérdidas por fricción del sistema.

Sistemas de Retorno de Agua. Se clasifican como sigue: • Tubería con retorno inverso: Al primer equipo que se suministra agua, es el último que retornamos. • Tubería de retorno directo: El primer equipo en suministrar, es el primero en retornar. Materiales para Tuberías de Agua Helada. • Acero negro (de bajo carbono). • Acero galvanizado. • Hierro forjado-negro. • Hierro forjado-galvanizado. • Cobre blando. • Cobre duro. La selección adecuada del material depende del servicio para el cual se pretende la tubería. El servicio comprende: • Las propiedades del fluido en cuestión. • La temperatura de trabajo • La presión de trabajo. • La exposición a oxidación o corrosión. • El costo de material. La cédula indica el espesor de la tubería. La selección del número correcto de la cédula depende de la presión y temperatura de servicio. En los sistemas hidrónicos, para las presiones que se presentan normalmente, se específica en general tubo cédula 40, a excepción de los diámetros muy grandes, en los cuales se usa cédula 30 o 20. Métodos de Conexión para Tubería de Acero. • Roscadas: hasta 2”. • Soldadas o bridadas: de 2 ½” en adelante. • En las conexiones soldables, se pone un par de bridas soldables en el tubo.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Diseño de Tubería. El diseño de un sistema de tubería, es limitado por: Velocidad máxima permisible, la cual es establecida por: • Ruidos generados por el flujo de agua a través de la tubería. • Erosión de la tubería por el flujo de agua, arrastre de arenas, aire u otras partículas extrañas.

Velocidades Recomendadas: SERVICIO

VELOCIDAD (m/s)

Descarga de la bomba Succión de la bomba Línea de drenaje Cabezal o tubería principal Tubería secundaria Línea vertical Servicio general Agua de la ciudad

2.4 – 3.6 1.2 – 2.1 1.2 – 2.1 1.2 – 4.5 0.9 – 3.0 1.0 – 3.0 1.5 – 3.0 0.9 – 2.1

Pérdidas por Fricción: • Los sistemas de paso único deberán diseñarse para que suministren el flujo requerido, con una pérdida de presión no mayor que la presión que se tenga disponible después de haber deducido todas la otras pérdidas (caída de presión en el condensador o condensadores, pérdida hidrostática, de línea, de válvulas, accesorios, etc.). • Los sistemas de bombas recirculantes son diseñados para suministrar un balance razonable entre el incremento de potencia, debido a las altas pérdidas por fricción y el incremento del costo inicial de la tubería, debido a líneas de mayor diámetro. Limitaciones de Diseño. El sistema debe trazarse indicando las válvulas, los accesorios, las longitudes de los tramos y las cantidades de agua necesarias en todos los ramales, principales y tabularse. La presión debe indicarse en los puntos del sistema donde se conectan los ramales secundarios. De esta forma se puede determinar la caída de presión disponible a través de cada una de las unidades que son alimentadas desde el sistema principal, con lo que se pueden obtener los diámetros de la tubería, válvulas y accesorios correspondientes. Existiendo la posibilidad de poder utilizar tubería de diámetros menores que los que en la práctica se consideran normales para algunos ramales de tubería. Debe tomarse en consideración toda la caída de presión disponible en cada ramal para requerir un mínimo de juste al igualar presiones y volúmenes de flujo. Cada selección de diámetro de tubería debe incluir una comparación entre el costo inicial de instalación y el costo de operación y mantenimiento. En cualquier tubo por el que circule agua, hay una pérdida de presión, por rozamiento en el tubo y esta pérdida depende de los siguientes factores: • Velocidad del agua de 3 ( 0.93 m/s ) a 10 ( 3 m/s ) • Diámetro del tubo. • Rugosidad de la superficie interior. • Longitud del tubo y el número de accesorios en el sistema. Válvulas de Control. Generalidades: En el control, la válvula de control juega un papel muy importante en la regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. La válvula de control típica se compone básicamente del cuerpo y el servomotor. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador, los asientos y esta provisto de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de control de paso del

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y quien es accionado por el servomotor. Tipos de Válvulas. Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje, se clasifican como se específica a continuación: • Válvula de Compuerta. En una válvula de compuerta el diámetro de la abertura a través del cual pasa el fluido es prácticamente la misma que la de la tubería, por lo que la pérdida de carga que se introduce en el sistema es pequeña. Las válvulas de compuerta son adecuadas para abrir o cerrar completamente la conducción. Estas válvulas no son apropiadas para el control del flujo, pues carecen de la sensibilidad adecuada. Esta válvula efectúa su cierre con un disco vertical plano o de forma especial y que se mueve verticalmente al flujo. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo cuando esta en posición de apertura.

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Válvula de Globo. Las válvulas de globo o de asiento son ampliamente utilizadas para controlar velocidad de flujo de un fluido. La abertura por la cual circula el fluido es más pequeña que en las válvulas de compuerta, por lo que las válvulas de globo introducen una mayor pérdida de carga. Siendo de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado respectivamente. Las válvulas de simple asiento precisan de un obturador de mayor tamaño para que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del proceso. Por lo tanto, se emplean cuando la presión del fluido es baja y se precisa que las fugas en posición de cierre sean mínimas. El cierre a estanco se logra con obturadores provistos de una arandela de teflón. En las válvulas de doble asiento de obturador equilibrado, la fuerza de desequilibrio desarrollada por la presión diferencial a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Por este motivo se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando deba trabajarse con una alta presión diferencial. En posición de cierre las fugas son mayores que en una válvula de simple asiento.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES •

Válvula de Bola. En una válvula de bola el elemento de cierre es esférico, es una válvula simple con pocos componentes y se puede abrir y cerrar completamente en forma muy rápida, abierta completamente, presenta una baja pérdida de carga. El elemento de cierre es esférico y de ahí viene su nombre. El cuerpo de la válvula tiene una cavidad interna esférica que alberga un obturador en forma de bola o esfera. La bola tiene un corte adecuado (usualmente en “V”), que fija la curva característica de la válvula y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre a estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula esta cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño a 75% del tamaño de la tubería. Una válvula de bola típica es la válvula de macho que consiste en un macho de forma cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal igual al diámetro interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de giro de 90°. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada de líquidos y en regulación de caudal.

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Válvula de Retención. Una válvula de retención permite el flujo solamente en una dirección. Se abre debido a la presión del fluido que circula en una determinada dirección; cuando el flujo se detiene o tiende a invertirse, la válvula cierra automáticamente por gravedad o por medio de un resorte que hace presión sobre una bola o disco.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES •

Válvula de Mariposa. Estas válvulas tienen una sola parte móvil, la cual es, un disco o compuerta que gira pero no se mueve en forma vertical. La válvula de mariposa es más económica para su uso en tubos grandes, es simple, presenta una baja pérdida de carga y es autolimpiante, el cuerpo esta formado por un anillo cilíndrico dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula esta totalmente abierta ( en control todo-nada se consideran 90° y en control continuo 60°, a part ir de la posición de cierre ya que la ultima parte del giro es bastante inestable ), siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondiente a las posiciones de completa apertura y de cierre se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de presión a baja presión.

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Válvula o Filtro “Y”. Esta posee las características de regulación de flujo que tiene la válvula de globo, pero tiene una pérdida de carga reducida en comparación con aquella. En las válvulas tipo “Y” el asiento está a 45º respecto a la horizontal. Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control, presenta una gran capacidad de caudal. Posee una característica de auto drenaje cuando esta instalada inclinada con un cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES •

Válvula Check. Válvula unidireccional que automáticamente impide el flujo en sentido opuesto al deseado, protegiendo las líneas y equipo de bombeo, evita el golpe de ariete, la hace de menor peso y tamaño, su instalación es más fácil, segura y económica. Materiales en acero, acero inoxidable, bronce, asientos metal a metal y elastómero.

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Válvula de Tres Vías. Este tipo de válvulas pueden ser del tipo mezclador o del tipo divergente o separador. Una válvula mezcladora tiene dos entradas y una salida. Una válvula separadora tiene una entrada y dos salidas. Las válvulas mezcladoras y separadoras se pueden usar para variar los flujos a través de la unidad, manteniendo al mismo tiempo el flujo total. También se pueden usar las válvulas mezcladoras y divergentes para controlar la capacidad variando la temperatura en lugar de la cantidad de agua, en esta aplicación, el agua de suministro que procede de la caldera y el agua de retorno se mezclan para tener agua a la temperatura deseada. Las válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor.

•

Válvula de Dos Vías. Este tipo de válvulas se emplean para hacer variar el flujo volumétrico al equipo de calefacción o enfriamiento estrangulándolo.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

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Válvula de Balanceo. Control de flujo exacto, pre-balanceo de la capacidad del diseño, carátula de apagado y encendido, memoria de paro del indicador, válvula integrada con puertos de lectura, la última respuesta a los problemas del balance del sistema.

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Válvula Multipropósito (tres válvulas en una). En una sola válvula, se realizan tareas diferentes, que son: 1.- cierre o la de interrumpir el suministro, 2.- la de guía central que checa y evita que la válvula se cierre de golpe, la última tarea,3.-es que cuenta con una placa calibrada de lectura con botón, además de que cumple y provee con requerimientos más eficientes y precisos de flujo, de balance; minimiza costos de operación e instalación, minimiza las pérdidas de energía y/o fricción, previene la vibración de la válvula, proporciona una protección de máxima duración contra los líquidos agresivos, permite el equilibrio exacto del sistema para una máxima eficiencia de operación, provee el regreso de la válvula a la posición de balance después del corte de flujo y diseñado para llenarse bajo un sistema de alta presión.

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Difusor de succión y accesorios de la bomba centrífuga. El cilindro de gran tamaño del orificio asegura una caída de presión mínima, la longitud completa hace que las paletas se enderecen y asegura el patrón uniforme del flujo para la entrada a la bomba, casquillo de extremo fácilmente desprendible con el anillo o reutilizable, las conexiones de NPT, ensanchado o acanalado de extremo garantizan la selección derecha del difusor de la succión.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

Protección de la Bomba Centrífuga. • Difusor. Proporciona las condiciones ideales del flujo para la bomba, para proveer los requerimientos de NPSH que necesita. • Filtro de encendido inmediato o filtro de estrella – para arriba - una necesidad para los sistemas hidrónicos y de manera estándar para difusores de succión para los sistemas de agua cerrados y domésticos. La remueve posteriormente sin perder la protección de las perforaciones más grandes en el orificio cilíndrico. • Un campo amplio de servicio. Todas las partes o piezas internas son fácilmente reemplazables incluyendo partes con fricción directamente. • Ahorra tiempo. Sin tubería intermedia. Menos tubería que colocar. • Ahorra espacio. Elimina grandes entradas de tubería, el montaje de coladeras convencionales en tuberías y tuberías en piso. • Ahorra dinero. Difusor, colador... todo en una pieza. Menos uniones de tubería. Más rápida instalación. • Elimina problemas. Promueve el buen flujo permitiendo operaciones libres de problemas. • Cuerpo en ángulo. Tiene un codo que facilita la transición cercana entre el sistema de tubería de regreso y el sistema de succión de la bomba. Algunos modelos NPT están diseñados para reducir inclusive codos. Accesorios Complementarios. • Tanque de expansión • Manómetro • Termómetro. • Interruptor de flujo de agua. • Válvula de aguja. • Sifón o cola de cochino. • Válvula multipropósito. 1.5 BOMBAS CENTRIFUGAS Y SU CLASIFICACION. En las bombas centrífugas la energía se comunica al líquido por medio de alabes en movimiento de rotación, a diferencia de las de desplazamiento volumétrico o positivo, rotativas (de engranajes, tornillos, lóbulos, levas, etcétera) y alternativas de pistón, de vapor de acción directa o mecánicas. Las Ventajas Principales de las Bombas Centrífugas. Caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Uno de sus pocos inconvenientes es la necesidad de cebado previo al funcionamiento, ya que las bombas centrífugas, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son auto aspirantes. Consideraremos los siguientes tipos de bombas centrífugas: • Radiales, axiales y diagonales, • De impulsor abierto, semi abierto y cerrado, • Horizontales y verticales. Bombas Radiales, Axiales y Diagonales. La forma del impulsor puede forzar al agua a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede dar al agua una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje (flujo axial). Normalmente, a las máquinas con flujo radial o mixto se les denomina bombas centrífugas, mientras a las de flujo axial se las llama bombas de flujo axial o bombas de hélice. Los impulsores de las bombas radiales y de las mixtas pueden abiertos o cerrados. Los impulsores abiertos consisten en un eje al cual están unidos los alabes, mientras que los impulsores cerrados tienen láminas (o cubiertas) a cada lado de los alabes.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que guía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. El incremento de la sección transversal a lo largo de la envolvente tiende a mantener constante la velocidad en su interior. Bombas de impulsor Abierto, Semi Abierto y Cerrado. Teniendo en cuenta su diseño mecánico o estructural, se pueden distinguir tres tipos de impulsores: • De alabes aislados (abiertos), • Con una pared o disco lateral de apoyo (semi abierto), • Con ambas paredes laterales (cerradas). Esta clasificación es independiente de la más general, que se refiere al tipo de diseño hidráulico, por lo que en esta nueva clasificación puede haber impulsores centrífugos y de flujo mixto, abiertos, semiabiertos o cerrados.

Cerrado

De Doble Aspiración

Rodete de Bomba Diagonal Abierta

Semi Abierto

Abierto

Rodete de Bomba Cerrado Tipo Francis

Los impulsores axiales, por su misma estructura, sólo pueden ser semiabiertos o cerrados, ya que sus alabes se pueden considerar como apoyados lateralmente en el eje de rotación, que hace las veces de cubo del impulsor, como si fuese la pared posterior de los radiales y diagonales. Impulsores Abiertos. En un impulsor abierto, los alabes desnudos van unidos únicamente al eje de giro y se mueven entre dos paredes laterales fijas pertenecientes a la carcasa de la bomba, con tolerancias laterales lo más estrechas posibles para evitar fugas. Esta construcción es mecánicamente débil, por el largo voladizo en que trabajan los alabes, por lo que estos impulsores disponen siempre de una fracción de pared posterior para dar a los alabes la rigidez necesaria.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES En la práctica no se hace distinción entre impulsores abiertos y semiabiertos, designando a ambos como abiertos, en oposición a los cerrados. Los impulsores abiertos se utilizan en algunas bombas radiales pequeñas y para el bombeo de líquidos abrasivos.

Empuje Axial en Impulsor Abierto con Alabes Posteriores

Impulsores Semiabiertos. Los impulsores con una sola pared lateral, que siempre es la posterior, se emplean con cierta frecuencia, destacando las bombas de flujo mixto y todas las axiales. Al igual que en los abiertos, su buen rendimiento está basado en una tolerancia lateral muy estrecha, del orden de 0,3 mm, que evita fugas de la periferia al centro y en los canales del impulsor entre sí. Estas fugas son tanto mayores cuanto menos viscoso es el líquido por lo que con líquidos algo viscosos el caudal y la altura pueden aumentar, a pesar de las mayores pérdidas por rozamiento, lo que les hace más apropiados que los abiertos para trabajar con líquidos a altas temperaturas. Cuando el juego lateral se hace grande por el desgaste, hay que cambiar el impulsor. El desgaste del impulsor es proporcional a la velocidad relativa del líquido y no es radialmente uniforme, sino algo mayor en la periferia. Para el servicio con líquidos abrasivos algunas veces se disponen placas laterales de desgaste de fácil intercambio, construidas con materiales especiales como el acero inoxidable que tiene mayor dureza, que no resulta costoso, ya que el cuerpo de la bomba sigue siendo de fundición. Impulsores Cerrados. Los impulsores cerrados tienen los alabes colocados entre dos paredes laterales, anterior o de aspiración y posterior. Los impulsores cerrados pueden resistir mucho mejor cualquier flexión del eje o contracciones y dilataciones mayores de las previstas, por lo que son más adecuados para servicios de altas temperaturas. Las Ventajas del Impulsor Abierto Sobre el Cerrado, son : • La menor tendencia a obstruirse que le hace adecuado para líquidos sucios, • El menor roce hidráulico del disco, al tener sólo una pared girando, de lo que se deduce un buen rendimiento, • Una mayor accesibilidad de los alabes para el mecanizado, lo que permite conseguir mejores acabados, • Una mayor facilidad de construcción, con modelos más sencillos, por lo que se puede utilizar una mayor variedad de materiales constructivos con un coste menor de fabricación.

Curvas Características de las Bombas. Una curva de bombeo es la representación gráfica de una característica específica del rendimiento de una bomba. Interpretar estas gráficas puede ser útil, tanto para especificar las bombas para una aplicación, como para determinar si una bomba que ya ha sido instalada está rindiendo al nivel de su capacidad. Para las aplicaciones de bombeo de agua, las varias curvas que se ilustran son muy similares, simplemente ofreciendo información adicional.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

Bomba Característica en la cual se muestra en eje de las ordenadas la carga total de la bomba y en el eje de las abscisas el caudal producido. Así como la potencia indicada sobre las curvas.

Propiedades De Una Bomba Centrifuga Dentro del campo normal de aplicación, las propiedades de una bomba centrífuga son: •

Caudal uniforme, sin pulsaciones.

•

La presión o altura de elevación disminuye a medida que aumenta el caudal. En general, a partir del punto de funcionamiento, cuando se cierra la válvula de regulación de la tubería de impulsión aumenta la presión y se reduce la potencia. Sin embargo, las bombas de alta velocidad específica (impulsor semi-axial o hélice) no cumplen esta norma general.

•

La altura, medida en metros de columna de líquido, a la que eleva una bomba es independiente de la naturaleza del líquido y, por tanto, la altura a la que impele una bomba es la misma, prescindiendo de la influencia que ejerce la viscosidad.

•

La potencia absorbida por la bomba es proporcional al peso específico del líquido elevado.

•

El par requerido para el arranque de una bomba centrífuga es pequeño y la potencia absorbida durante su funcionamiento de régimen es continua y libre de sobrecargas, cuando la altura no varía y no hay perturbaciones ajenas a la bomba en la aspiración.

Funcionamiento De Las Bombas Centrifugas Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos constructivos de que constan son: • Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. • El impulsor o rodete, formado por una serie de alabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. Los alabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión. La carcasa (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de alabes que guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta. Una tubería de impulsión; la finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. Y la convierte en energía, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Un ejemplo de bombas que funcionan para cambiar la posición de un cierto fluido es, por ejemplo, la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo se eleve a la superficie. Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en un oleoducto, en donde las cotas de altura así como los diámetros de tuberías y consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión fuesen iguales, en tanto que la presión fuese incrementada para poder vencer las perdidas de fricción que se tuviesen en la conducción.

Existen bombas que trabajan con presiones y alturas iguales que únicamente adicionan energía de velocidad. Sin embargo a este respecto hay muchas confusiones en los términos presión y velocidad por la acepción que llevan implícita de las expresiones fuerza - tiempo.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por la bomba es una mezcla de las tres. Las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos. Normalmente un generador hidráulico (bomba) es accionado por un motor eléctrico, térmico, etc. Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación.

ESTRUCTURA INTERNA DE UN BOMBA CENTRÍFUGA

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

CLASIFICACION DE BOMBAS Doble acción

Simple Doble

Vapor

Pistón Simple Reciprocantes Émbolo

Simple acción Doble acción

Diafragma BOMBAS

Doble Triple Múltiple

Simple Múltiple

Desplazamiento Positivo

Rotor Simple

Potencia

Operadora p/fluido Operada mecánicamente

Aspas Pistón Miembro Flexible Tornillo

Rotatorias Engranes Rotor Múltiple

Lóbulos Balancines Tornillos

Autocebantes Cebadas p/medios externos Flujo radial

Simple succión

Flujo mixto

Doble succión Unipaso

Impulsor abierto

Multipaso

Impulsor semiabierto Impulsor cerrado

Centrífugas

BOMBAS

Dinámicas

Flujo axial

Periféricas

Especiales

Simple succión

Unipaso Multipaso

Unipaso

Autocebantes

Multipaso

Cebadas p/medios externos

Electromagnéticas

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Impulsor abierto Impulsor cerrado

CAPITULO 1 ANTECEDENTES

Esta clasificación toma en cuenta la forma cómo el fluido se desplaza dentro de los elementos de la bomba, así para aquellos en los que el fluido se desplaza a presión dentro de una carcasa cerrada, como resultados del movimiento suavizada de un pistón o embolo, se le denomina “Bombas de desplazamiento positivo”, mientras que las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno o varios impulsores provistos de alabe, se les denomina “Bombas Centrifugas” y es en el presente trabajo a estas últimas a las que se hará referencia. La clasificación anterior parece ser la más adecuada sin embargo, puede ser útil conocer dentro de esta clasificación algunas características o situaciones que ayudara a seleccionar la bomba más adecuada. Por ejemplo estás pueden ser clasificadas de la siguiente manera; según el sistema donde funcionarán o la forma física de ella. Para la primera clasificación que es conocer el sistema donde la bomba tendrá su funcionamiento. Consiste en saber si la bomba succionara del recipiente y con alturas variables o si la bomba se instalará en un sumidero o en una fosa. Así mismo es necesario el líquido que la bomba manejará: si con volátiles, viscosos, calientes o pastas aguadas, que así se manejará el concepto de densidad y partículas que la bomba pueda impulsar. Respecto a la forma física de la bomba se debe tener en cuenta que existen bombas de eje horizontal o vertical, ambas de empujes centros o de desplazamiento positivo, baja o alta velocidad, también la especificación de los materiales deben ser compatibles con los líquidos que se bombearán.

1.6 BANCOS DE HIELO, SISTEMAS DE TERMOALMACENAJE Y MODO DE OPERACIÓN. Antes de dar la descripción de éste sistema, cabe aclarar que el aire acondicionado contribuye con el 35% de la demanda eléctrica en verano en muchas áreas de los Estados Unidos y México. A diferencia de otros usos de electricidad, la demanda de enfriamiento máxima ocurre solo algunos días ó semanas de cada año. Los suministradores de energía reconocen la habilidad del termoalmacenaje como alternativa favorable para los patrones de uso de la electricidad. Adicionalmente, la tecnología del termoalmacenaje se ha mejorado significativamente desde 1980. Los diseñadores y sus clientes continúan expresando fuerte interés en el uso del termoalmacenaje para reducir los costos de energía. Los sistemas de termoalmacenaje remueven calor del medio de termoalmacenaje durante los períodos de baja demanda de enfriamiento. El enfriamiento almacenado es utilizado mas tarde para cubrir la demanda de enfriamiento de acondicionamiento del aire ó de un proceso. El medio de termoalmacenaje puede ser agua helada, hielo ó sales eutécticas de cambio de fase. Los primeros sistemas de refrigeración utilizaban pedazos de hielo que cortaban de los lagos congelados como almacén de frío. Con la introducción de la refrigeración mecánica, la mayoría de los almacenes de hielo fueron reemplazados por sistemas de enfriamiento instantáneo dimensionados para cubrir la carga máxima esperada en cualquier momento. El interés en el termoalmacenaje para aplicaciones comerciales creció en la década de 1970`s a 1980`s cuando las suministradoras de energía reconocieron la necesidad de reducir la demanda eléctrica en sus sistemas de generación y distribución eléctrica. Para muchas compañías eléctricas, la demanda pico se debe a la carga por acondicionamiento de aire de los días mas calientes del año. Las suministradoras de servicio eléctrico se dieron cuenta que el enfriamiento puede generarse y almacenarse durante los periodos fuera de punta para ser utilizado mas tarde, mas capacidad en horario punta estaría disponible para otros usos y la capacidad disponible fuera de punta sería utilizada mas completamente. Muchos suministradores de servicio eléctrico empezaron a ofrecer incentivos Página 29

CAPITULO 1 ANTECEDENTES financieros en forma de tarifas especiales, cargos por demanda en punta, rebajas y subsidios para animar a sus clientes a cambiar sus consumos en horas punta a períodos de fuera de punta. Los sistemas de termoalmacenaje permiten este cambio desacoplando la operación del chiller de las cargas instantáneas. El sistema de termoalmacenaje cumple la misma carga total de enfriamiento en un período dado de un sistema tradicional pero con capacidad de enfriamiento instantánea menor. La capacidad total de enfriamiento distribuida sobre el período se logra con mas precisión sobre la carga de enfriamiento encontrada en el mismo período. Con frecuencia, el dinero ahorrado por seleccionar capacidades inferiores de chiller puede compensar el sobrecosto de la adición del termoalmacenaje. Algunas tecnologías de termoalmacenaje facilitan la obtención de reducciones de costo adicionales haciendo uso de temperaturas de aire y agua puede ser reducido en tamaño cuando las temperaturas de alimentación son reducidas y los diferenciales de operación son incrementados. Des-acoplando la operación del chiller de la carga instantánea, los sistemas de termoalmacenaje también facilitan una carga más constante en el equipo de refrigeración e incrementa la eficiencia del chiller debido a las bajas temperaturas de condensación que se obtienen durante la operación nocturna. Los sistemas de termoalmacenaje pueden lograr sustanciales ahorros en el costo de operación generando el enfriamiento utilizando el horario mas barato y reduciendo ó eliminando los cargos por demanda en horas punta. En las aplicaciones del termoalmacenaje los propietarios y diseñadores podrían seleccionar este sistema cuando apliquen algunos de los siguientes criterios: • La carga máxima de enfriamiento es significativamente mas alta que la carga promedio. Esto es común para la mayoría de las aplicaciones no industriales. • La estructura tarifaria eléctrica incluye cargos por alta demanda, una diferencia significativa en costos entre los horarios ó rebajas especiales ó incentivos para instalaciones de termoalmacenaje. • El sistema actual de enfriamiento quedó corto por expansión del edificio. • Un tanque disponible para termoalmacenaje esta disponible. • Necesidad de enfriamiento para una aplicación en una región remota ó país donde el equipo de refrigeración es extremadamente caro. • La demanda eléctrica disponible en el edificio esta limitada. • Respaldo ó redundancia del equipo de enfriamiento es recomendable. • La distribución de aire helado puede ser utilizada, es necesaria ó puede ser benéfica. Las cargas de enfriamiento de un edificio con frecuencia son dos ó mas veces mayores que la carga promedio en 24 horas. Algunos procesos industriales también tienen cargas punta mucho mas altas que la carga promedio. Una lechería por ejemplo, puede operar su sistema de refrigeración a capacidad plena para enfriar la carga de leche, luego reducir su capacidad a modo de termoalmacenaje durante los períodos de baja carga y cubre la necesidad de carga pico utilizando el enfriamiento almacenado. A mayor diferencia entre la carga pico y la carga promedio mayor será el potencial de reducción de la capacidad del chiller utilizando el termoalmacenaje. Los suministradores de energía imponen cargos en la demanda basados en la mayor demanda obtenida en las horas punta y durante el ciclo de facturación. Durante los períodos de punta cuando la demanda del sistema es la mas alta los cargos por demanda son los mas altos. Los sistemas de termoalmacenaje esparcen la generación de enfriamiento en un período mayor que los sistemas tradicionales, resultando una disminución de la demanda de energía en todo el horario. Los sistemas de termoalmacenaje pueden también generar todo el enfriamiento requerido en horario fuera de punta, eliminando completamente los cargos por demanda en punta de los chillers, bombas de condensación y torres de enfriamiento. Muchos suministradores de electricidad cobran menos por la energía consumida durante el horario fuera de punta. La reducción de demanda y consumo en punta ocasionada por el termoalmacenaje es particularmente benéfica en áreas donde las cargas por demanda en punta son altos ó donde el costo por consumo en horario punta es más alto que el costo en horario fuera de punta. El termoalmacenaje puede tener beneficio cuando el sistema de enfriamiento requiere expansión. Esto puede ocurrir cuando el edificio es agrandado ó remodelado ó si los incrementos en la carga necesitan

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES enfriamiento adicional. La adición de termoalmacenaje a un sistema existente puede permitir utilizar la capacidad de termoalmacenaje a un sistema existente puede permitir utilizar la capacidad de enfriamiento actualmente no utilizada en períodos de baja carga. Particularmente con sistemas grandes, ó sistemas para edificios múltiples ó en un campus universitario el costo de adicionar el termoalmacenaje puede ser menor que el costo de adicionar nuevos chillers para cubrir el incremento en carga. En algunas situaciones de reposición de equipo, particularmente en aplicaciones industriales, pueden existir tanques disponibles para termoalmacenaje. Los depósitos de agua para protección contra incendio pueden ser utilizados para almacenar agua helada haciéndoles modificaciones mínimas. Otros tanques sin uso pueden ser compatibles para almacenar agua, hielo ó salmuera. Aunque sea requerido limpiarlos ó modificarlos gran parte del costo en tanques puede ser eliminado mejorando el costo de implementación del sistema de termoalmacenaje. Donde el equipo de enfriamiento tiene que ser importado, el costo del equipo puede ser excesivamente caro y la reducción de costo generada por adquirir chillers de menor capacidad puede ser mayor que el costo de implementación del sistema de termoalmacenaje. En algunos casos, la capacidad eléctrica disponible puede ser limitada ó la disponibilidad de capacidad eléctrica adicional puede depender de la adición de transformadores ó interruptores muy costosos. Aquí, el uso del almacenaje puede reducir la demanda eléctrica por enfriamiento. El almacenaje puede brindar respaldo ó redundancia de tiempo limitado de enfriamiento para site’s de computadora ó alguna otra aplicación crítica. La carga de enfriamiento puede cumplirse simplemente operando las bombas, lo cual reduce la capacidad requerida de planta de emergencia. Para mayor capacidad de respaldo, el termoalmacenaje debe ser sobredimensionado para obtener la redundancia deseada aún si uno de Los chillers se descompone al final del período de descarga. La tecnología de termoalmacenaje utiliza hielo como medio permitiendo el uso económico de temperaturas de agua y aire reducidas. En estos sistemas, los ingenieros pueden diseñar bombas, tuberías, manejadoras y ductos más pequeños y obtener substanciales reducciones en la inversión inicial. Los sistemas de distribución de aire helado suministran aire entre 42 y 49º F ( 6 y 9º C ) ofreciendo algunos beneficios a los propietarios de edificios. Estos incluyen costos de sistema de distribución reducido, mejoría en la calidad del aire interior y en el confort y reducción de costos de construcción en algunos edificios altos. En edificios donde la carga se incrementó por encima de la capacidad del sistema existente, el aire helado puede compensar estos incrementos. Incrementar la capacidad del sistema de distribución de aire requiere cambios mínimos en la ductería existente. En aplicaciones donde los beneficios del aire helado es de importancia primaria, los sistemas de termoalmacenaje utilizando hielo como medio son generalmente preferibles a bajar la temperatura con chillers. Aplicaciones Del Almacenaje. • La carga máxima de enfriamiento es significativamente más alta que la carga promedio. Esto es común para la mayoría de las aplicaciones no industriales. • La estructura tarifaria eléctrica incluye cargos por alta demanda, una diferencia significativa en costos entre los horarios ó rebajas especiales ó incentivos para instalaciones de termoalmacenaje. • La demanda eléctrica disponible en el edificio esta limitada. • Respaldo ó redundancia del equipo de enfriamiento es recomendable. La inversión inicial del sistema de termoalmacenaje incluye el equipo de refrigeración, los tanques de almacenamiento, controles e instrumentación y equipo de distribución de agua y aire. Los equipos de refrigeración para un sistema de termoalmacenaje son generalmente más pequeños y menos caros que los utilizados en un sistema tradicional. El costo relativo del equipo de refrigeración y la capacidad de Página 31

CAPITULO 1 ANTECEDENTES almacenamiento depende de la tecnología de almacenamiento y la estrategia de operación seleccionada para la aplicación. Controles e Instrumentación. Tal como en los sistemas tradicionales, los sistemas de control para el termoalmacenaje varía en complejidad. Usualmente se requiere algún “hardware y software” adicional, debido a que el inventario del frio almacenado deberá ser administrado por el sistema de control. El inventario almacenado puede ser calculado monitoreando continuamente la cantidad de enfriamiento entregado a ó descargado del almacén (almacenamiento). Deberá proveerse suficiente instrumentación para permitir el monitoreo de carga y descarga de almacenaje. Como mínimo, esto requiere medición de temperaturas entrando y saliendo del tanque de almacenamiento y del flujo circulando en el tanque. Para reducir los errores debido a las diferencias de calibración de sensores, se recomienda un medidor de temperatura diferencial a través del tanque y por separado, mediciones de la temperatura del fluido entrando y saliendo. Como mínimo, el sistema de control debe ser capaz de seleccionar carga, descarga y enfriamiento directo de acuerdo a un programa horario y condiciones de carga. La capacidad de monitoreo y almacén de datos son muy útiles para desarrollar un sistema de operación de largo alcance el cual, puede ser utilizado para refinar y mejorar las estrategias de control. Estrategias de Operación y Control. Las siguientes áreas son importantes en la selección estrategias de operación y control para sistemas de termoalmacenaje: • Almacenaje total • Almacenaje parcial, nivelación de carga • Almacenaje parcial, limitación de demanda • Chillers de carga base • Secuencia de chillers • Identificación del periodo de costo punta Ciclos de carga • Diario • Semanal • Otro Optimización de operación • Prioridad en chiller • Prioridad en almacén • Control de velocidad de carga • Predicción de carga Programación De Operación De Chillers Los sistemas de almacenaje parcial pueden ser dimensionados para operación de nivelación de carga ó para limitación de la demanda. Estos términos se refieren a la cantidad de carga en periodo punta que debe pasarse a periodo no punta. Estrategias De Operación Básicas De Termoalmacenaje. El equipo de refrigeración no opera durante el periodo punta y toda la carga es cubierta por el almacenaje. Este tipo de sistemas requieren relativamente alta capacidad de refrigeración y de almacenaje. El almacenaje total es más atractivo donde los cargos por demanda en horario punta es muy alto ó donde el periodo de punta es relativamente corto. El control de este tipo de sistemas es relativamente simple. Un sistema de almacenaje parcial cubre parte de la carga de periodo punta con el almacén, completando la carga con operación de los chillers.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Los sistemas de termoalmacenaje son mas comúnmente dimensionados para un ciclo de carga diaria, generando suficiente enfriamiento en un periodo de 24 horas para cubrir todas las cargas de ese periodo. Como el objetivo es maximizar el uso del enfriamiento almacenado, es importante tener suficiente capacidad almacenada para complementar al chiller en el cumplimiento de las altas cargas previas a la noche. Los costos de operación de consumo y demanda de energía eléctrica se reducen en sistemas de termoalmacenaje. La cantidad de reducción depende los horarios de tarifas, incluyendo cargos por demanda y el diferencial entre la tarifa punta y la no punta y de la cantidad de horas punta utilizadas. La reducción de los costos de operación también depende del perfil de carga para una aplicación dada.

Consideraciones Fundamentales De Diseño. Los fundamentos de diseño para este tipo de sistemas, son los siguientes: • Calculo de la estimación de carga de enfriamiento • Tipo de termoalmacenaje a utilizar • Consideraciones de equipo • Estrategias de operación y control • Adecuación con los sistemas del edificio • Dimensionamiento del chillers y termoalmacenaje • Evaluación económica • Operación y mantenimiento • Comisionista Calcula Del Perfil De Carga. El perfil de carga de enfriamiento sobre un periodo de 24 horas es tan importante como el diseño de carga pico en un sistema de termoalmacenaje. El sistema de termoalmacenaje debe ser diseñado para que sea capaz de cumplir la carga extendida sobre el tiempo así como la carga pico horaria. Por lo que es importante hacer un cálculo preciso de la carga total integrada durante el ciclo completo de almacenaje. Diseño De Condiciones Climatológicas. La selección de las condiciones de temperatura ambiente de diseño para los sistemas de termoalmacenaje se debe sujetar a las mismas consideraciones que los sistemas tradicionales. Los diseños pueden seleccionar condiciones de temperatura ambiente menos extremas para sistemas de termoalmacenaje total “full storage”, dado que este tipo de sistemas puede utilizarse como termoalmacenaje parcial si la carga de diseño se excede. Los propietarios deben ser informados que ante cargas muy altas fuera de diseño, algunos de los chillers deberán operarse. Cálculos De Carga. El perfil de carga debe ser calculado para el diseño de ciclo completo de carga y descarga del sistema de termoalmacenaje. El ciclo mas común es el de 24 horas, pero el ciclo semanal también es aplicado cuando es requerido. Más largos ó más cortos periodos también son posibles para ciertas aplicaciones. Los cálculos del perfil de carga de diseño requieren de una estimación precisa de los horarios de ocupación, iluminación y horarios de uso de dispositivos. Todas las fuentes de calor dentro del espacio acondicionado deben ser incluidas. Es importante no desechar ganancias de calor que estén presentes en el periodo de ocupación ó incluso durante todo el día. Estas cargas pueden ser una pequeña parte de la carga pico, pero ser una porción significativa de la carga diaria integrada. En general, toda entrada de electricidad al edificio se convierte en carga del sistema de termoalmacenaje. Las cargas muertas varían según el día de la semana: lunes, de martes a viernes, sábado y domingos. Estos tipos de días dependen de la ocupación del edificio y uso. Por ejemplo, para un edificio de oficinas, los lunes tienen mayores cargas muertas si el sistema de HVAC esta apagado durante los días previos. Toda la energía térmica entrando al edificio por ganancia solar, transmisiones por superficies exteriores ó Página 33

CAPITULO 1 ANTECEDENTES calor interno producido por dispositivos desde que fue parado el sistema HVAC, se convierte en carga muerta para los lunes por la mañana. Los diseñadores de sistemas de termoalmacenaje deben tener presente que muchos edificios, particularmente de oficinas, paran sus sistemas de HVAC antes de que la radiación solar cese de las superficies. Esta ganancia de calor solar se convierte en carga muerta para el día siguiente. Se debe tener cuidado, cuando se corran programas computarizados, de que las cargas muertas están debidamente consideradas. Si las temperaturas de aire van a ser reducidas, la ganancia de calor latente debida a infiltraciones debe ser calculada basada en la humedad relativa esperada en el área. Las perdidas de conducción térmica tienen un rango aproximado del 1 al 5% de la capacidad de almacenaje por día y es mayor en un tanque sin aislamiento. Las temperaturas ambientales extremas o la exposición directa a los rayos solares también incrementan estas pérdidas. Las perdidas reales pueden ser calculadas con el área de superficie del tanque, el coeficiente de transmisión, la temperatura del medio de almacenaje y la temperatura ambiente. Tipos De Almacenaje. El medio de almacenaje incluye agua helada, hielo y sales eutécticas de materiales de cambio de fase. La fuente de energía primaria para generar enfriamiento puede ser electricidad, gas natural, vapor o calor recuperado. Las tecnologías de almacenaje incluyen tanque de agua helada, hielo recolectado, hielo sobre tubo o hielo sobre serpentín, hielo encapsulado y aguanieve. Medio De Almacenaje. Los más comunes medios de almacenaje son el agua, el hielo y otros materiales de cambio de fase mejor conocidos como sales eutécticas. Estos medios se diferencian en función de la energía almacenada por unidad de volumen, las temperaturas a las cuales almacenan el frio y de los requerimientos físicos de almacenamiento de energía. Agua Helada. El almacenaje de agua helada utiliza la capacidad sensible del agua (1 btu por libra por grado Fahrenheit (4.184 Kj/Kg-.K) para almacenar enfriamiento. El volumen de almacenaje depende de la diferencia de temperatura del agua suministrada del almacén y la temperatura de retorno del agua. Un diferencial de temperatura de 20°F (11°C) es el máximo práctico para muchas aplicaciones de enfriamiento en edificios, no obstante, se han instalado sistemas con diferenciales por encima de los 30°F (17°C). Hielo. El termoalmacenaje en hielo, utiliza el calor latente de fusión del agua-144Btu/Lb (335 Kj/Kg). El volumen de almacenaje depende de la proporción final de hielo-agua en un tanque completamente cargado y generalmente es 2.4 a 3.3 pie3 por Ton-hr ( 0.02 a 0.03 m3/Kw-h) dependiendo de la tecnología especifica de termoalmacenaje en hielo. La energía térmica es almacenada en hielo en el punto de congelación del agua 32°F (0°C). Para almacenar esta energía, el equipo de refrigeración debe suministrar el fluido de carga a temperaturas de 15 a 26°F (-9 a -3°C). Esto es inferior al rango n ormal de operación de un equipo de enfriamiento para aplicaciones de aire acondicionado. El fluido de transferencia de calor para hacer hielo puede ser refrigerante ó un fluido secundario como glicol ó algún otro producto anticongelante. Sales Eutecticas. Las sales eutécticas están disponibles con varias formulaciones para fundirse y congelarse a las temperaturas seleccionadas. La formulación mas común para aplicaciones de termoalmacenaje es una mezcla de sales inorgánicas, agua y agentes aglutinantes y estabilizadores, los cuales se derriten y congelan a 47°F (8.3°C). Este material es encapsula do en contenedores rectangulares de plástico acomodados dentro del tanque de almacenamiento a través del cual el agua circula. El volumen de almacenaje neto de un sistema como este es aproximadamente 6 pies3 por ton-hr (1.048 m3/Kwh), incluyendo los cabezales de tubería, contenedores y el agua en el tanque.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Una formulación de sales eutécticas que se congela y derrite a 41°F (5°C) esta actualmente en desarrollo. Su temperatura de descarga de 41 a 43°F (5 a 6°C) será compatible con los sistemas tradicionales de distribución y manejo de aire. Mezclas de sales eutécticas están también disponibles para bajar las temperaturas de los sistemas de almacenaje de hielo. Aditivos que producen temperaturas de congelación de 28°F (-2°C) y 12°F (-11°C) están disponibles en tanques de almacenamie nto. Estos aditivos reducen la capacidad de calor latente del agua y bajan el punto de congelación. Fuentes De Energía Primaria. La fuente de energía primaria más común para los sistemas de termoalmacenaje son la electricidad, el gas y el vapor. Dado que la mayoría de los sistemas de almacenaje utilizan chillers con compresores movidos por electricidad para generar el enfriamiento, se le dará el mayor énfasis. La estrategia de operación probablemente deba ser seleccionada para minimizar el tamaño de los equipos de la planta de enfriamiento y el almacenaje. La selección de operación con prioridad en chiller o prioridad en almacenaje depende de los otros equipos disponibles y los costos de operación de los varios tipos de sistemas de operación. Tecnologías De Almacenaje. Las tecnologías actuales de almacenaje pueden ser divididas en las siguientes categorías: • • •

•

•

Almacén de agua helada. Agua helada almacenada en tanques, usando estratificación natural ó alguna otra técnica para separar el agua helada del agua tibia de retorno. Hielo recolectado. El hielo se forma en las paredes del evaporador y periódicamente cae a un tanque de almacenamiento lleno de agua. Hielo sobre serpentín con fusión externa. El hielo se forma sobre la superficie de tubos sumergidos en un tanque con agua, por dentro de los tubos circula un refrigerante secundario. El enfriamiento se descarga circulando el agua que cubre los tubos con hielo, fundiendo el hielo de afuera hacia adentro. Hielo sobre serpentín con fusión interna. El hielo se forma sobre la superficie de los tubos sumergidos en un tanque con agua, similar al sistema de fusión externa. El enfriamiento de descarga circulando refrigerante secundario tibio por el interior de los tubos, fundiendo el hielo de adentro hacia afuera. Hielo encapsulado. El agua dentro de unos contenedores pequeños sumergidos se congela y descongela según se circule la solución secundaria fría o tibia por el tanque que agrupa los pequeños contenedores.

Equipo. El equipo en un sistema de almacenaje consiste principalmente del equipo de refrigeración y los tanques de almacenamiento. Adicionalmente, la instrumentación y control, también es importante. Equipo De Refrigeración. Los principales componentes de refrigeración que se seleccionan para un sistema de termoalmacenaje son los chillers y los condensadores, los cuales dependen principalmente de las temperaturas alcanzables por los equipos, el rango de capacidad, la eficiencia y costo. El tipo de refrigerante utilizado y los controles considerados adicionalmente. Chillers (Enfriadores). La mayoría de las aplicaciones de termoalmacenaje utilizan chillers para generar el enfriamiento. Los tipos de chillers incluyen compresores del tipo reciprocantes, tornillo rotativo, centrífugo, caracol y adsorción. Los chillers reciprocantes y de tornillo son adaptables a un amplio rango de temperaturas de salida y pueden generalmente ser aplicados a sistemas de almacenaje con dificultades mínimas. Los chillers centrífugos pueden también ser aplicados para hacer hielo, pero la selección debe hacerse para condiciones de operación específicamente anticipadas. Página 35

CAPITULO 1 ANTECEDENTES Un chiller centrifugo existente, seleccionado originalmente para producir agua helada de 42 a 44°F ( 5 a 7°C) no produce las temperaturas requeridas para ha cer hielo sin modificarse. Los compresores de tornillo y de caracol pueden tener una ventaja en mantenimiento sobre los reciprocantes en el mismo rango de capacidad, dado que estos compresores son más tolerantes al refrigerante liquido en la línea de succión. La mayor eficiencia la tienen los chillers centrífugos con un rango típico de 0.6 a 0.7 Kw/ton para 40 a 44°F (4 a 7°C de temperaturas de descarga y 0.85 a 1.0 Kw/ton haciendo hielo. Los compresores de caracol operan a 0.85 a 1.15 Kw/ton a temperaturas estándar y aproximadamente 1.2 a 1.3 Kw/ton (2.9 a 2.7 COP) con temperaturas para hacer hielo. La capacidad de los chillers para fabricar hielo es generalmente de 60 a 70% de su capacidad nominal. Condensadores. Los condensadores pueden ser enfriados por agua, enfriados por aire ó evaporativos. Los enfriados por agua son generalmente enfriados por agua enfriada en una torre de enfriamiento. Los condensadores enfriados por aire rechazan el calor soplando aire ambiente sobre el serpentín a través del cual circula refrigerante, pero el agua espreada sobre el serpentín se evapora e incrementa la transferencia de calor del refrigerante. La capacidad de un condensador enfriado por aire esta limitada por la temperatura de bulbo seco del aire ambiente. Las torres de enfriamiento y el condensador evaporativo están limitadas por la temperatura de bulbo húmedo y pueden obtenerse temperaturas de condensación mas bajas. Para un condensador enfriado por agua con una torre de enfriamiento, la aproximación de la temperatura de condensación a la temperatura de bulbo húmedo se incrementa por la adición del paso de transferencia de calor del refrigerante al agua de enfriamiento. El mantenimiento es más simple del condensador enfriado por aire que en los otros dos debido a que no se involucra ningún circuito de agua. El costo de mantenimiento para los condensadores enfriados por torres de enfriamiento de agua es alto. La selección de condensadores para sistemas de termoalmacenaje están basados en lo mismo que en sistemas tradicionales. Una diferencia es que los sistemas de termoalmacenaje operan durante un gran número de horas en la noche cuando las bajas temperaturas ambientes permiten temperaturas de condensación reducidas. Refrigerantes. Las consideraciones sobre refrigerantes para sistemas de termoalmacenaje son las mismas que para sistemas tradicionales. Los chillers de desplazamiento positivo para aplicaciones de fabricación de hielo requieren de refrigerantes de alta presión como, R-22 ó R-717 (amoniaco). Los chillers centrífugos generalmente utilizan R-134ª ó R-123, no obstante, el R-22 (ya no se permite su uso).

Tanques De Almacenaje. Un tanque de almacenamiento para aplicaciones de termoalmacenaje debe tener una resistencia estructural adecuada para soportar la fuerza hidrostática del agua, mezcla de agua y de hielo ó cualquier otra substancia que se utilice. Deberá ser a prueba de fugas y no desarrollar ninguna fuga significativa con el tiempo; también deberá ser resistente a la intemperie para prevenir que el agua ó los vapores de agua penetren al aislamiento externo. Los tanques localizados al exterior deberán tener una barrera de vapor y una cubierta contra intemperie sobre el aislamiento exterior. Para tanques expuestos a los rayos solares, la ganancia de calor por radiación puede ser muy significante. Los tanques de termoalmacenaje generalmente son construidos de acero, concreto, fibra de vidrio o plástico.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Temperaturas De agua Helada. La temperatura de agua helada entregada al edificio es el primer parámetro a determinar en el diseño de un sistema de termoalmacenaje. La tabla siguiente muestra los rangos típicos de temperatura de suministro de varios tipos de termoalmacenaje. En algunas configuraciones de almacenaje, las temperaturas de suministro mostradas pueden ser reducidas instalando un chiller aguas abajo del almacén.

TEMPERATURAS DE DESCARGA TIPICAS DE TERMOALMACENAJE

Medio De Almacenaje

Rango Típico De Temperatura De Descarga

Hielo

34 a 38°F (1 a 3°C)

Agua Helada

40 a 44°F (4 a 7° C)

Sales Eutécticas

48 a 50°F (9 a 10°C)

La temperatura de retorno de agua provienen de la carga, también es un parámetro de interferencia importante. Generalmente, es recomendable mantener la temperatura de retorno tan alta como sea posible, para maximizar la capacidad de descarga del almacén y la eficiencia del sistema. Los sistemas de termoalmacenaje en hielo operan con diferenciales de temperatura de Distribución de 20 a 24°F (11 a 13 °C), comparados con los diferenciales típicos de sistemas tradicionales de 10 a 16°F (6 a 9°C). Este incremento del rango permite la reducción de los flujos de un 40 al 60%, con la correspondiente reducción de los diámetros de tubería, tamaño de bombas y energía de bombeo. Las válvulas de control deberán ser seleccionadas con igual porcentaje característico que, cuando se combine con la característica de transferencia de calor del serpentín, se obtenga un cambio casi lineal en la transferencia de calor con cada incremento en el viaje del vástago de la válvula. También es importante que las válvulas de control sean seleccionadas con un diferencial de presión de diseño mayor que la máxima presión diferencial de operación experimentado por la válvula. Distribución De Aire Helado. Las bajas temperaturas de descarga disponible en los sistemas de termoalmacenaje con hielo permite el uso de rangos de temperatura diferencial de agua más grandes y reducidas temperaturas de suministro de aire, el cual brinda beneficios significativos a las propietarios y ocupantes. Las temperaturas de descarga del almacén de hielo de 34 a 38°F (1 a 3°C), permiten suministrar aire a temperaturas tan bajas como 42°F (6°C), comparado c on la temperatura de suministro típica de los sistemas tradicionales de 55°F (13°C). Esta tecnolo gía se conoce como distribución aire helado o distribución de aire a baja temperatura. Con aire de distribución mas frio, los ventiladores y los ductos pueden dimensionarse mas pequeños, resultando una reducción substancial en los costos del sistema de distribución de aire. El consumo eléctrico de los ventiladores puede reducirse hasta un 40%. Fluidos De Transferencia De Calor Basados En Glicol. Muchas tecnologías de termoalmacenaje en hielo utilizan un fluido secundario para transferir el calor entre los chillers y los tanques. El etilen glicol es el más utilizado comúnmente, no obstante pueden ser utilizados otros fluidos. Una mezcla del 25% en peso de etilen glicol en agua es lo más comúnmente utilizado en aplicaciones de termoalmacenaje en hielo con algunos sistemas utilizando mayores concentraciones. La discusión en esta sección esta basada en el uso de etilen glicol, pero algunas de las consideraciones aplicaran a otros fluidos secundarios. Las soluciones de etilen glicol tienen mayor densidad, mayor viscosidad, menor calor específico y menos conductividad térmica que el agua pura. Solamente glicol inhibido grado industrial formulado

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES específicamente para aplicaciones de HVAC, deberá ser utilizado cuando sea requerido por un sistema de termoalmacenaje. Los glicoles sin inhibidores son más de dos veces corrosivos que el agua simple, en los metales comúnmente utilizados en las tuberías para sistemas HVAC. Los anticongelantes automotrices pueden causar incrustación y fallas en los sellos de las bombas y nunca deberán utilizarse en aplicaciones de HVAC.

Dimensionamiento De La Planta De Enfriamiento y El Almacenaje. Los pasos básicos para dimensionar un sistema de termoalmacenaje son: 1.- Determinar el perfil de carga del edificio. 2.- Seleccionar la estrategia de operación para el día de diseño 3.- Calcule la capacidad inicial del chiller y del almacén. 4.- seleccione la tecnología de almacenaje apropiado. 5.- Selección adecuada de los chillers y los bancos de almacenamiento.

Determinar El Perfil De Carga Del Edificio. El perfil de carga de diseño, debe incluir todas las ganancias de calor del edificio y del sistema, incluyendo ganancia de calor por bombeo y ganancia térmica del tanque de almacenamiento. Selección Estratégica De Operación Del Sistema Para El Día De Diseño. La estrategia de operación del sistema define cuanta carga en periodo punta deberá ser cambiada a periodo no punta por el sistema de termoalmacenaje Calculo Del Tamaño Inicial Del Chiller Y De La Capacidad Inicial Del Almacén. Para empezar el procedimiento de dimensionado, estimaciones rápidas de la capacidad del chiller y del almacén pueden aproximarse utilizando ecuaciones relativamente simples. Estas estimaciones son calculadas basadas en la carga total del sistema en ton-hrs, número de horas en los ciclos de carga y descarga y comportamiento de los chillers en condiciones de carga y descarga. Combinándolos con el volumen almacenado para una tecnología particular, la selección rápida de almacenaje prevé una estimación del espacio requerido para el almacenaje. Evaluación Económica. Una evaluación económica completa de un sistema de termoalmacenaje requiere comparación y análisis de costos de equipo y costos de operación. El análisis muy seguro involucra comparación de varias opciones, usualmente incluye un sistema tradicional y las posiblemente varias estrategias de almacenaje o tecnologías. En la mayoría de los casos, la estructura tarifaria tiene el mayor efecto en la selección de la estrategia de operación, el tamaño del sistema y los costos de operación. Estructura Tarifaria. La estructura tarifaria eléctrica generalmente determina los ahorros del costo de operación del termoalmacenaje así como la optima selección del sistema y la estrategia de operación. Los elementos de la estructura tarifaria incluyen cargos por demanda, horarios de punta y fuera de punta, cargos diferenciales en horario punta y no punta e incentivos directos. Adicionalmente algunos suministradores de servicio eléctrico ofrecen incentivos preferenciales por programa de uso de termoalmacenaje. Cargo Por Demanda. El cargo por demanda eléctrica lo establece el suministrador basado en la medición mayor registrada de potencia (Kilowatts) en un mes dado. Las demandas altas incrementan el ahorro en el costo de operación en los sistemas de termoalmacenaje. Periodo Punta Y No Punta. Los prestadores de servicio frecuentemente construyen sus tarifas con esquemas de punta y no punta el cual refleja la variación del costo de generación y distribución de energía con la hora del día. Los cargos por consumo y demanda en hora punta son relativamente altos reflejando el costo de operar con menos Página 38

CAPITULO 1 ANTECEDENTES eficientemente capacidad de generación para cumplir las demandas de energía durante periodo de día. Los cargos en periodos no punta son relativamente bajos para provocar a los consumidores a cambiar sus consumos a este periodo. Para los sistemas de termoalmacenaje diseñados principalmente para reducir la demanda en los periodos punta, como el sistema de almacenaje total, la longitud y frecuencia de los periodos de punta afectan directamente las capacidades requeridas de chiller y almacén. Esta situación requiere grandes capacidades de almacén y chillers. Con un periodo punta corto de 6 horas o menos, la carga total en punta es relativamente pequeña y las muchas horas no pico están disponibles para recargar el almacén. Aquí, con un chiller y almacén relativamente pequeños se puede cambiar la carga en periodo punta a periodo no punta. Cargos Diferenciales De Energía. Para muchos prestadores de servicio de energía, el costo de la energía consumida durante el periodo de punta es mas alto que la consumida en periodo no punta. Esto incrementa los ahorros de costo de operación para los sistemas de termoalmacenaje dado que las cargas en periodo punta son cubiertas con la operación de chillers fuera del periodo de punta. Incentivos Indirectos. Algunos prestadores de servicio incentivos de pagos directos a los clientes que instalen sistemas de termoalmacenaje. Los pagos son típicamente en el rango de $100 a $300 por Kilowatt de demanda en periodo punta reducido comparado con un sistema tradicional. Para algunos prestadores de servicio, los pagos están basados en las toneladas de carga en periodo punta cambiadas a periodos no punta. Estos pagos reducen la inversión inicial de los sistemas de termoalmacenaje, mejorando la comparación económica con los sistemas tradicionales. Costo De Equipo. El mayor costo de equipo es para el chiller y la capacidad de almacenamiento. Adicionalmente bombas, tuberías, y algún otro equipo de interferencia deben ser suministrados muy seguido. Costos De Eficiencia Y Operación. Los costos de operación de los sistemas de termoalmacenaje son generalmente menores que los de sistemas tradicionales. La demanda en punta se reduce, el consumo de energía se cambia del horario caro al horario menos caro de los periodos no punta. A medida que avanza la tecnología de los sistemas de termoalmacenaje comercial, los diseñadores se enfrentan al objetivo adicional de reducción del consumo eléctrico. Estos ejemplos citados anteriormente muestran que éste objetivo puede ser alcanzado aprovechando la ventaja del potencial total que ofrece la tecnología del termoalmacenaje. Los chillers que utilizan condensador enfriado por aire se benefician por el relativamente alto incremento de eficiencia en la operación nocturna, porque la variación de la temperatura de bulbo seco del día es considerablemente mayor que la variación de la temperatura de bulbo húmedo. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. Optimización Del Sistema. Durante la mayor parte del año cuando las cargas de enfriamiento están por debajo de las cargas de diseño, los operadores tienen la opción de cubrir la carga de los chillers o con el almacén. A medida que el operador adquiera experiencia sobre la respuesta del sistema a las cargas reales, ellos pueden reafirmar las estrategias de operación de diseño y controlar los puntos de ajuste para minimizar los costos de operación.

Mantenimiento De Equipo. El mantenimiento de los sistemas de termoalmacenaje es similar al de los sistemas tradicionales. Para una aplicación dada, la planta de termoalmacenaje usualmente será de menor capacidad que una planta tradicional, resultando un costo menor, cuando el costo del mantenimiento depende de la capacidad de los equipos. Página 39

CAPITULO 1 ANTECEDENTES En algunos casos, el termoalmacenaje permite cumplir la carga de enfriamiento cuando un equipo es puesto fuera de servicio para mantenimiento, particularmente donde el mantenimiento requerido puede ser realizado en poco tiempo o cuando el almacén puede complementar la capacidad del equipo que permanece en operación. Temperaturas De Descarga. Los sistemas con hielo producen una temperatura de descarga entre 34 y 38°F (1 y 3°C). esta temperatura permite extender el rango de temperaturas de agua y reducir la temperatura de suministro de aire, resultando en una reducción de costo de equipo y de costos de operación para los sistemas de distribución de agua y aire. Descripción General. Los sistemas de termoalmacenaje de hielo sobre serpentín utilizan un anticongelante secundario como fluido de transferencia de calor de carga y descarga, circulando a través de tubos o serpentines sumergidos en un tanque lleno de agua. Para formar el hielo, el chiller enfría el anticongelante de 22 a 26°F (-6 a -3°C) y se forma el hielo sobre la pared externa de los tubos. Para descargar el almacén, el anticongelante tibio fluye a través de los tubos, derritiendo el hielo desde el interior y hacia afuera, reduciendo la temperatura del anticongelante para usarla en el cumplimiento de la carga de enfriamiento. En una configuración aguas abajo, el agua de retorno tibia primero fluye a través del banco de hielo, donde es enfriada antes de que entre al chiller. Este arreglo resulta en un mayor uso de la capacidad del almacén, así como también asegura una temperatura constante de descarga. Sin embargo, el chiller opera a más baja temperatura de descarga y es menos eficiente que en la configuración aguas arriba. Sistemas De Refrigeración. Los sistemas de almacenaje en hielo de fusión interna utilizan chillers estándar seleccionados para suministrar temperaturas de fluido de 22 a 26°F (-6 a -3°C). Interferencia Con Los Sistemas Del Edificio. Un sistema de termoalmacenaje de hielo de fusión interna es cerrado y presurizado. El circuito hidráulico de las tuberías del banco de hielo puede ser directamente conectado a la red de distribución del edificio o separado por un intercambiador de calor. Los sistemas conectados directamente operan con el anticongelante secundario en todo el sistema del edificio. Para algunos edificios, la protección contra congelamiento en invierno que brinda el anticongelante puede ser ventajosa. Adicionalmente, la capacidad de enfriamiento del serpentín se reducirá comparada con el comportamiento con solo agua. Dimensionamiento. El dimensionamiento de los sistemas de termoalmacenaje de hielo con fusión interna requiere la selección de la apropiada capacidad del equipo que hace hielo y la capacidad del almacenaje para una aplicación dada. La capacidad inicial del chiller y del almacenaje pueda ser estimada utilizando un procedimiento de dimensionamiento rápido. Los requerimientos finales de dimensionamiento deberán ser determinados mediante una simulación detallada de comportamiento hora por hora durante el ciclo de diseño de almacenaje. Características De Carga Y Descarga. Las temperaturas de carga para un sistema de fusión interna dependen de la velocidad de carga y del estado de la carga de los tanques de almacenaje en un momento dado. Un ciclo corto de carga requiere más bajas temperaturas para congelar una cantidad dada de hielo. La temperatura de carga decrece a través del ciclo de carga a medida que el espesor de hielo a través del cual el calor debe ser transferido se incrementa. Las temperaturas de carga típicamente caen de 2 a 3°F ( 1 a 2°C) del principio al final del ciclo de c arga. Las temperaturas promedio de carga andan aproximadamente a 23° (-5°C), a aproximadamente 27°F (-3°C).

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES 1.7 COMPRESORES Y SU CLASIFICACION.

Los compresores de desplazamiento positivo trabajan reduciendo el volumen de un gas en el espacio confinado y con ello aumentan su temperatura. Los compresores reciprocantes, rotatorios y de tornillo son de desplazamiento positivo. Los compresores centrífugos trabajan aumentando la energía cinética (velocidad) del gas, la cual a continuación se convierte en aumento de presión al reducir la velocidad. Compresores Reciprocantes. Son los que mas se usan, y se consiguen en tamaños desde potencias fraccionarias hasta algunos cientos de toneladas. La construcción es semejante a la de los motores reciprocantes de los vehículos, con pistones, cilindros, válvulas, bielas y cigüeñal. La válvula de succión y descarga en general son de placa delgada o lengüeta, que abre y cierra fácil y rápidamente. Los compresores herméticos se fabrican con el compresor y el motor dentro de una caja sellada. De este modo no hay la posibilidad de perdida de refrigerante por fugas alrededor de la flecha o eje. En un compresor hermético, el refrigerante enfría al motor. La mayor parte de los compresores modernos abiertos usan sellos mecánicos, en lugar de sellos de empaquetadura, para reducir las fugas de refrigerante.

Compresores Rotatorios. Este tipo de compresores tienen un rotor excéntrico con respecto a la carcasa; cuando gira el rotor reduce el volumen del gas y aumenta su presión. Las ventajas de estos compresores son que tienen pocas partes, son de construcción sencilla y pueden ser relativamente silenciosos y libres de vibraciones. Los compresores rotatorios pequeños se usan con frecuencia en refrigeradores domésticos y acondicionadores de aire de ventana.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

Compresores De Tornillo (Rotatorios helicoidales). Dos tornillos helicoidales engranan y comprimen el gas, a medida que el volumen de este disminuye hacia el extremo de la descarga. Este tipo de compresor se ha popularizado en años recientes debido a su confiabilidad, eficiencia y costo. Se usa en general en los tamaños más grandes de compresores de desplazamiento positivo, para capacidades de hasta 1000 toneladas.

Compresores Centrífugos. Este tipo de compresores tienen impulsores de paletas que giran dentro de una carcasa, de modo semejante a las bombas centrifugas. Los impulsores aumentan la velocidad del gas, la cual a continuación se convierte en aumento de presión al disminuir la velocidad. La naturaleza del compresor centrífugo lo hace adecuado para capacidades muy grandes, hasta de 10,000 toneladas. Los impulsores pueden girar a velocidades hasta de 20,000 RPM, lo que les permite manejar grandes cantidades de refrigerante.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES

Control De La Capacidad En Los Compresores. La capacidad de un compresor se debe de regular para cumplir con la demanda de carga. El control en general se obtiene a partir de una señal que se recibe de un termostato o presóstato. En un compresor reciprocante pequeño, con frecuencia se hace variar la capacidad sólo poniendo a trabajar y parando el compresor. En los compresores grandes de varios cilindros se pueden obtener varias etapas de capacidad. Según un método, el gas refrigerante se deriva sin pasar por el compresor cuando se necesita menos capacidad

1.8 TORRES DE ENFRIAMIENTO. ¿Qué es una torre de refrigeración?

Una torre de refrigeración es una instalación que extrae calor del agua mediante evaporación o conducción. Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60 ˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚C. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Cuando el agua es reutilizada, parte del agua se evapora, causando la emisión de mas calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción. Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia la contaminación del agua de las torres de

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES enfriamiento por los contaminantes del aire y microorganismos es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera Principios Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los más antiguos que se conocen. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque. El proceso de transferencia de calor comprende: 1. 2.

La transferencia de calor latente debido a la evaporación de una porción pequeña de agua. La transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el aire.

La posible eliminación teórica de calor por libra de aire circulado en una torre de enfriamiento depende de la temperatura y el contenido de humedad del aire. La temperatura de bulbo húmedo es un indicador del contenido de humedad del aire. Por tanto, esta es la temperatura teórica mas baja a la que puede enfriarse el agua. Teoría de la torre de enfriamiento La teoría del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento, es la que desarrolló Merkel. Este análisis se basa en la diferencia del potencial de entalpía como fuerza impulsora. Se supone que cada partícula de agua esta rodeada por una película de aire y que la diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento. Torres De Tiro Mecánico En la actualidad se emplean dos tipos de torres de tipo mecánico; el de tiro forzado y el de tiro inducido. En la torre de tiro Forzado, un ventilador se monta en la base y se hace entrar el aire y se descarga a baja velocidad por la parte superior, la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, por lo que no se somete a corrosión , pero debido a la escasa velocidad del aire de salida, la torre se somete a una recirculación . La torre de tiro inducido es el tipo que se emplea con mayor frecuencia en Estados Unidos, la cual se divide en torres de contraflujo y de flujo transversales. Desde el punto de vista termodinámico, la configuración a contraflujo es más eficaz, ya que el agua mas fría entra en contacto con el aire mas frío, obteniendo así el potencial máximo de entalpía. La aproximación ó aproach es la diferencia en grados centígrados entre la temperatura del agua fría que sale de la torre y la temperatura de bulbo húmedo del aire. Rango de enfriamiento es el número de grados que se enfría el agua en la torre. Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente que entra en la torre y la temperatura del agua fría que sale de la torre. Arrastre es la pequeña cantidad de agua perdida en la forma de finas gotas retenidas por el aire que circula. Purga es la pérdida continua o intermitente de una pequeña fracción del agua que circula para evitar en el agua la formación y concentración de químicos que generan la incrustación. Reposición es el agua requerida para reemplazar el agua que se pierde por evaporación, arrastre y purga. Ejemplo: La temperatura del agua fría es de 31°C y la temp eratura de bulbo húmedo del aire ambiente es 27°C la aproximación será A = 31 – 27 = 4°C Nota: la temperatura de bulbo húmedo siempre será menor a la del agua fría.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES ¿Qué se entiende por gama de enfriamiento? Es la diferencia de temperaturas entre el agua caliente que llega a la torre y el agua fría que sale de la torre, por ejemplo si el agua caliente llega a 39°C y sale a 31°C la gama es T2 –T1 = 39 -31 = 8°C El fabricante de las torres de flujo transversal puede reducir con eficacia la característica de torre a acercamientos muy bajos incrementando la cantidad de aire para proporcionar una razón L/G mas baja. El aumento en el flujo de aire no se logra necesariamente incrementando la velocidad del mismo, sino sobre todo alargando la torre para aumentar el área de corte transversal para el flujo de aire. El tiempo de contacto entre el agua y el aire se dictamina en mayor grado por el tiempo necesario para que el agua se descargue por las boquillas y caiga a través de la torre hasta el depósito. Si el tiempo de contacto es insuficiente, ningún incremento en la relación aire agua generará el enfriamiento deseado. El funcionamiento de enfriamiento de cualquier torre que tiene una profundidad dada varía con la concentración del agua. El problema de calcular el tamaño de una torre de enfriamiento, consiste en determinar la concentración apropiada de agua que se necesita para alcanzar los resultados deseados. Después de determinar la concentración de agua necesaria, el área de la torre se calcula dividiendo los gal/min que circulan, entre la concentración del agua expresada en gal/(min)(ft2).

Operación De una torre de enfriamiento Acondicionamiento del agua.- Los requisitos de acondicionamiento para una torre de enfriamiento consisten en la suma de las pérdidas de evaporación, pérdidas por arrastre y pérdidas a causa del viento. Potencia del ventilador.- Cuando se lleva a cabo un análisis del costo de una torre de enfriamiento y los costos de operación de la misma, uno de los factores más significativos debe ser el establecimiento de la potencia del ventilador. La potencia del ventilador de la torre de enfriamiento puede sufrir una reducción sustancial a causa de un decrecimiento en la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, cuando se emplean motores de doble velocidad en los ventiladores. Potencia de bombeo.- Otro factor importante en el análisis de la torre de enfriamiento, en especial para torres de tamaño mediano y grande, es la parte de la potencia de la bomba atribuida directamente a la torre de enfriamiento. Cuando se trata de torres de enfriamiento con boquillas de aspersión, la carga estática de bombeo será igual a la ascensión estática más la pérdida de presión de las boquillas. Abatimiento de neblina y bruma.- Un fenómeno que ocurre con frecuencia en la operación de una torre de enfriamiento es la formación de neblina, que produce una bruma muy visible y con posibilidades muy altas de formación de hielo. La formación de neblina es ocasionada como resultado de la mezcla de aire caliente que abandona la torre, con aire ambiente de enfriamiento. En algunas ocasiones utilizan chimeneas en los ventiladores para reducir la neblina en la parte inferior de la torre. En los últimos tiempos el aspecto ambiental a recibido mayor atención, aunque aún existen personas que creen, en forma equivocada, que las descargas de las torres de enfriamiento son dañinas. Torres De Tiro Natural Las torres de tiro natural comenzaron a utilizarse en Europa en 1916. Estas son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra utilizar llegan a tener diámetros del orden de 80.7 m y alturas de 103.6.

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Tanques de Roció Los tanques de rocío constituyen un medio para reducir la temperatura del agua mediante el enfriamiento por evaporación y, al hacerlo, reducen enormemente la superficie de enfriamiento necesaria en comparación con un estanque de enfriamiento. El tanque de rocío emplea varias boquillas para rociar el agua y establecer contacto entre esta y el aire del ambiente. Una boquilla de rocío bien diseñada debe suministrar gotas finas de agua, pero sin producir un rocío que el viento arrastre con facilidad, ya que esto equivale a una pérdida excesiva de flujo.

Funcionamiento. Cuando se usan condensadores enfriados por agua en la planta de refrigeración, se debe disponer de un suministro continuo de agua fría. La torre de enfriamiento es el equipo que hace este trabajo. Transfiere calor desde el agua del condensador hasta el aire atmosférico. La mayor parte de la transferencia de calor se logra mediante la evaporación, hacia la atmosfera, de un pequeño porcentaje de agua. El calor necesario para la evaporación se toma de la misma agua, enfriándola así. El agua que sale del condensador se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y se esparce por la misma, hacia abajo. La torre tiene mamparas internas que se llaman relleno, o empaque, que fragmentan el agua formando gotas pequeñas cuando el agua salpica al empaque. Con ello se mejora la transferencia de calor. El agua enfriada se recibe en un tanque y se recircula después al condensador. Además del agua que se pierde por enfriamiento evaporativo, también hay otras dos causas de pérdidas: la pérdida por arrastre se origina cuando el viento se lleva las gotas de agua. La perdida por purga se presenta cuando se vacía y desecha una pequeña parte del agua del tanque. Esta purga se debe hacer a intervalos regulares para evitar una acumulación de minerales que de otro modo se presentaría debido a las perdidas por evaporación. Es necesario prever agua de relleno. Esto se hace con un suministro de gua al tanque controlado con una válvula de flotador de nivel.

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Tipos y Construcción. La torre atmosférica es un tipo en el que la circulación de aire es el resultado del movimiento de este a través de la torre por convección natural. La cantidad de aire que circula debido a este efecto es bastante limitada, y hoy en día no se usan mucho las torres atmosféricas. Las torres de tiro mecánico hacen uso de ventiladores para crear un gran flujo de aire. El tipo de tiro inducido tiene al ventilador ubicado a la salida de la torre mientras que la del tipo de tiro forzado tiene al ventilador soplando el aire a través de la torre. Cuando se mueve aire y agua en direcciones opuestas, la torre se le llama de contracorriente. Cuando el aire y el agua se mueven en ángulo recto entre si a la torre se le llama de flujo cruzado. Las laterales de la torre pueden ser de madera, acero galvanizado o plástico. El bastidor estructural puede ser de madera o de acero. La madera ideal es el pino, ya que no la deteriora el agua. El relleno puede ser de madera, metal o plástico. Se instala una fila de mamparas, llamadas eliminadores, cerca de la salida de la torre para atrapar las gotas y evitar la perdida excesiva de agua. La capacidad de una torre de enfriamiento depende de la velocidad de evaporación del agua. Esta velocidad disminuye con algo contenido de vapor de agua (humedad) en el aire ambiente. Por lo tanto a mayor temperatura ambiente de bulbo húmedo, menor capacidad de la torre.

Datos Necesarios Para La Selección De Una Torre De Enfriamiento. Para seleccionar una torre de enfriamiento para cualquier aplicación, se necesita los siguientes datos: 1.- saber el gasto de agua que se enfriara en GPM. 2.- La temperatura del agua. 3.- La temperatura del agua a la salida de la torre. 4.- La temperatura de bulbo húmedo del aire del lugar en donde estará trabajando la torre. Para esto cada fabricante cuenta con tablas y factores para determinar las toneladas de refrigeración a corregir y las graficas de selección.

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1.9 FILTROS DE AIRE SU CLASIFICACION. Introducción: El acondicionamiento del aire se refiere al proceso de tratar el aire para controlar simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza, y distribución para cumplir con los requerimientos de confort de los ocupantes de un espacio acondicionado. El aire interior suele estar de 2 a 5 veces mas contaminado que el exterior según la EPA (Agencia Para La Protección Medio Ambiental De Los Estados Unidos) de ahí la importancia para una adecuada filtración del aire. Los fabricantes de filtros para aire ofrecen una gran cantidad de productos con una gran variedad de eficiencias. A continuación se revisaran los principios básicos de la filtración, las diferentes medias filtrantes que se encuentran en el mercado y algunas consideraciones importantes al hacer la elección de un sistema de filtrado. El aire que respiramos El aire es una mezcla de gases compuesto aproximadamente de 21% de oxigeno, 78% de nitrógeno, 1% de argón y algunos otros gases. El aire que respiramos también incluye partículas materiales y gases generados por la naturaleza, el hombre y los procesos industriales. Es motivo de preocupación las partículas de materia y los gases que afectan nuestra salud o confort, que dañan nuestro entorno o que afectan los productos o componentes que estamos fabricando. Desgraciadamente pese a todos nuestros esfuerzos para mantener un medio ambiente limpio, el aire que respiramos no esta muy limpio. Se podrían escribir paginas enteras de todas las fuentes y el tipo de materiales que lo contaminan. Anteriormente se creía que el aire exterior era la principal fuente. Sin embargo hoy en día se conocen otras fuentes que se encuentran en medio ambientes cerrados, tales como equipo eléctrico de oficina, alfombras, materiales de construcción, plásticos y materiales decorativos trayendo como consecuencia enfermedades a los ocupantes del inmueble. Independientemente de su fuente, y de las consecuencias a los seres humanos y a los procesos de manufactura, los contaminantes aerotransportados pueden ser un aerosol o un gas. •

Aerosoles. Un aerosol es una partícula suspendida en el aire sólida o liquida. El tamaño de un aerosol se mide en micrones, un micrón es una millonésima parte de un metro o 1/25,400 de pulgada. Se considera un aerosol el polvo, humo, o niebla.

•

Gases. Un gas es un material que tiene la tendencia a expandirse indefinidamente y que llena completamente y uniformemente el recipiente que ocupa. El gas existe como moléculas. Los gases pueden tener olores agradables o desagradables, ser corrosivos o tóxicos. Aunque también hay gases inodoros tal es el caso del monóxido de carbonó.

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Razones para filtrar el aire La filtración del aire es el medio para obtener el grado de limpieza requerido para cualquier definición de "aire acondicionado". Su función va desde la simple tarea de prevenir que se acumule pelusa, polvo entre otras partículas en los serpentines hasta remover partículas tan pequeñas como 0.1 micras que pueden ocasionar un corto circuito en un "microchip". Existen otras razones para filtrar el aire entre las cuales se incluyen las siguientes. • • • • • • • • • •

Proteger el bienestar general de las personas. Ayudar a que la ducteria del aire acondicionado acumule menos polvo y sea menos propicia a fomentar el crecimiento de hongos y bacterias. Proteger la decoración de los espacios ocupados, al evitar que se ensucien. Reducir el mantenimiento de los interiores al reducir la frecuencia de lavado del techo, lámparas, etc. Protección de contenidos tales como pinturas, tapices, y otros objetos valiosos. Eliminación de incendios al remover pelusas y polvo que se acumula en la ducteria. Remoción de bacterias para evitar infecciones postoperatorias. Reducción de síntomas de alergia. Mejorar el control de calidad en los sistemas de producción que se ven afectados por las partículas aerotransportadas. Alargar la vida de los alimentos al remover hongos y moho que aceleran su descomposición. Eficiencia de los filtros En cualquier industria la evaluación de los productos es una consideración importante. En el caso de los filtros para aire los tres intereses primordiales son: 1. ¿Cuál es la eficiencia de un filtro para remover un determinado contaminante aerotransportado (comúnmente polvo) que es del interés del usuario? Frecuentemente hay interés en la habilidad de un filtro para remover un determinado contaminante (tamaño). 2.¿Cuánto de este polvo va a remover antes de que requiera mantenimiento o cambio? 3.¿Qué resistencia ofrece el filtro al flujo de aire? Para determinar la eficiencia de un filtro se cuentan con varias pruebas desarrolladas por ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) entre otras organizaciones. Además de medir su eficiencia para recolectar partículas, se mide la caída de presión del filtro y su capacidad colectora de polvo (expresado en gramos). Los estándares desarrollados por ASHRAE son el 52.1-1992 y 52.2-1999; el IEST (Institute of Environmental Sciences and Technology) es el responsable de la prueba de penetración para filtros de alta eficiencia y se cuentan con las pruebas de UL80 para medir la resistencia al fuego.

ASHRAE 52.1 -1992 Es una prueba destructiva que define la elección de un filtro en términos de arrestancia y eficiencia, determinando también la resistencia inicial y la capacidad de retención de polvo a un determinado flujo de aire y resistencia final. Prueba de arrestancia o “Prueba de Colección de Masa de la ASHRAE" en ingles conocida como "Synthetic Dust Weight Arrestance" . La arrestancia es el porcentaje de polvo sintético (polvo ASHRAE) en peso que retiene un filtro, es decir se pesa la cantidad de masa que se intercepto.

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CAPITULO 1 ANTECEDENTES Prueba de eficiencia o “Eficiencia de la Mancha de Polvo Atmosférico de la ASHRAE” conocida en ingles como “Atmospheric Dust Spot Efficiency”. La eficiencia es el porcentaje retenido de polvo exterior (atmosférico) con capacidad de manchar. La diferencia entre ambas pruebas es la manera de probar el filtro, en la prueba de arrestancia se utiliza polvo artificial o sintético ASHRAE (partículas promedio de 7.7 micrones de diámetro). La prueba de eficiencia utiliza polvo atmosférico sin tratar (partículas promedio de 1 y 2 micras) y la eficiencia resultante del filtro indica la eficiencia del filtro para impedir las manchas en las paredes. En términos de filtración de aire la palabra eficiencia generalmente se refiere a una determinada prueba y no exclusivamente a su significado en el sentido estricto de la palabra. De ahí que sea importante diferenciar al pedir una determinada eficiencia o rendimiento que es lo que se quiere conocer, su eficiencia para remover partículas de determinado tamaño, su arrestancia o la eficiencia en la prueba de mancha de polvo. En general al referirse a la eficiencia de un filtro según ASHRAE sé esta haciendo referencia a la prueba de mancha de polvo atmosférico. Cabe señalar que mientras un filtro puede tener una arrestancia muy alta, su eficiencia no puede serlo tanto.

ASHRAE 52.2 -1999 El estándar 52.2 ofrece muchas mejorías sobre el estándar 52.1. La eficiencia promedio, la arrestancia y la capacidad de retención de polvo siguen siendo características importantes. Mientras que en el 52.1 la eficiencia se expresa como un porcentaje, el 52.2 expresa la eficiencia de un filtro para capturar tamaños específicos de partículas. ASHRAE 52.2 reporta la habilidad mínima que tiene el filtro para remover partículas. Se utiliza como desafío en lugar de polvo un aerosol de cloruro de potasio en 12 diferentes rangos de tamaños (que se agrupan en 3 grupos al final de la prueba). Los tamaños son de 0.3 a 10 micrones de diámetro. TABLA DE RANGO DE TAMAÑOS DE PARTICULAS ASHRAE 52.2 Rango

Tamaño

1

0.30 a 0.40

2

0.40 a 0.55

3

0.55 a 0.70

4

0.70 a 1.00

5

1.00 a 1.30

6

1.30 a 1.60

7

1.60 a 2.20

8

2.20 a 3.00

9

3.00 a 4.00

10

4.00 a 5.50

11

5.50 a 7.00

12

7.00 a 10.0 "Reproducido con autorización de NAFA"

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Grupo

E1

E2

E3

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Tabla De Rango De Tamaños De Particulas ASHRAE 52.2 La eficiencia total de los filtros probados con el 52.2 se expresa como un MERV (por sus siglas en ingles Minimum Efficency Reporting Value), es decir reporta un Valor de Eficiencia Mínima, acompañado de la velocidad del aire en que fue realizada la prueba. Para determinar el MERV se realizan seis para cada una de las 12 medidas, utilizando un contador de partículas. La eficiencia mínima de cada uno de los 12 rangos se utiliza para crear una curva mínima compuesta. Una vez que se determina la eficiencia se utiliza una tabla para determinar el MERV expresado en una escala de 1 a 16

Parámetros MERV Eficiencia Compuesta Promedio por Tamaño de Partículas, % Rango de Tamaño, pm

Estándar. 52.2 Valor Mínimo Reportado de Eficiencia (MERV)

Rango 1 0.30 - 1.0

Rango 2 1.0 - 3.0

Rango 3 3.0 - 10.0

1

n/d

n/d

E3 < 20

2

n/d

n/d

E3 < 20

3

n/d

n/d

E3 < 20

70 Aprom < 75

4

n/d

n/d

E3 < 20

5

n/d

n/d

20

E3 < 34.5

6

n/d

n/d

35

7

n/d

n/d

8

n/d

n/d

9

n/d

E2 < 50

10

n/d

50

11

n/d

65

12

n/d

80

E2

13

E1 < 75

90

Estándar 52.1 Arrestancia Promedio ASHRAE

Mínima Resistencia Final

Pa

Pulgada columna de agua

Aprom